Hubbleův program hraničního pole

Na úvod si pojďme krátce připomenout, o co jde. Tento zatím nejambicióznější plán HST zahrnuje sérii pozorování šesti vybraných částí oblohy po dobu tří let. Každý rok míří tubus na jednu vzdálenou obří galaktickou kupu po dobu 140 oběhů oběma kamerami ACS a WCF3. Jedna z nich první polovinu roku sleduje střed galaktické kupy a druhá přilehlou oblast. Po půlroce si obě kamery vymění pozice a dalších 140 oběhů snímají stejný výsek oblohy. Takto sleduje Hubble po tři roky tři různá místa vzdáleného vesmíru. Astronomové nazývají každou roční fázi „epochou“. Každá epocha je pro nás hlubším nahlédnutím do tajů architektury časoprostoru na velkých škálách, distribuce hmoty v našem vesmíru, působení fyzikálních zákonů a hájemství temné hmoty.

Aktuální Hubbleova pozorování FF/PF jsou doplněna o data z více než tisíce hodin prohlídky oblohy infračerveného kosmického teleskopu Spitzer a zároveň podpořena týmem rentgenového teleskopu Chandra, jenž má vyhrazenu část pozorovacího programu pro snímkování oblastí hraničních a paralelních polí. Všechna data výzkumu jsou na internetu volně přístupna veřejnosti, vědcům, univerzitám. To je jeden z bonusů vědy ve 21. století. Podrobněji se o programu hraničního pole dočtete zde.

Zvětšit obrázek

Dokončená kompozitní mozaika paralelního pole galaktického klastru Abell 2744. Kredit: NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI) Zdroj

Další galaktický rekordman

Mezinárodní tým pod vedením Adi Zitrina z kalifornského Institute of Technology v Pasadeně objevil další velmi vzdálenou galaxii, zesílenou efektem gravitační čočky mezilehlého klastru Abell 2744. Obrovská hmotnost klastru světlo zesílila, ale i zkreslila, a zobrazila vícenásobně jako tři bodové zdroje.

Bez gravitačního působení mezilehlé hmoty bychom ji neviděli. Jde o malou galaxii z raných dob, kdy měl vesmír pouhá 3 % svého současného stáří. Zhruba 500 milionů let po velkém třesku se teprve začaly mladé galaxie formovat jako první hvězdné ostrovy. Naše současná galaktická rekordmanka byla drobná – pětsetkrát menší než Mléčná dráha. S průměrem 850 světelných let v ní formování hvězd probíhalo tempem jedné za tři roky, to je zhruba třetinová porodnost nových hvězd naší Galaxie. Tato prastará galaxie byla rovněž málo hmotná – úhrnné množství hvězdné hmoty odhadují astronomové na asi 40 milionů Sluncí.

Zvětšit obrázek

Trojnásobné zobrazení vzdálené galaxie označené písmeny. Kredit: NASA, ESA, A. Zitrin (California Institute of Technology, Pasadena), and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.) Zdroj

Doposud se astronomům podařilo nalézt pouze deset takto vzdálených a mladých galaxií. O některých z nich už jsme vás v minulosti informovali. Možná zajímavější je nová metoda vyvinutá astronomy z důvodu správné detekce těch nejvzdálenějších galaxií. Ono totiž není jednoduché rozeznat ty skutečně vzdálené od jejich daleko mladších drobných kolegyň, které jsou rovněž zabarveny do ruda, ale ve skutečnosti jsou nám daleko blíž.

Forenzní galaktická astronomie

Běžně využívají astronomové pro určení vzdálenosti objektů metodu spektroskopie. Čím je objekt dál, tím více se díky rozpínání vesmíru jeho absorpční čáry posunují do oblasti červeného světla. Ale u vzdálených galaxií zobrazených díky gravitačnímu působení mezilehlých galaktických kup je jejich světlo příliš slabé, proto zde spektroskopie selhává.

V případě pozorování Hubbleovým teleskopem využívají vědci optické filtry v několika barvách. Intenzita světla různých barev nám pak umožňuje spočítat rudý posuv sledovaného objektu. Pokud známe hodnotu rudého posuvu, můžeme odhadnout přibližnou vzdálenost galaxie. Na ty nejvzdálenější (s rudým posuvem z=10 a víc) se pořádá doslova lov, a je to pochopitelné – v těch dobách se v mladém vesmíru galaxie teprve začaly formovat a pochopení jejich vzniku a vývoje by nám pomohlo lépe porozumět galaxiím současným. A nejen to. Raná stadia vývoje vesmíru jsou těmi nejcennějšími daty pro kosmology.

Distribuce hmoty a dynamika galaktických kup

Vraťme se ale k nově nalezené vzdálené galaxii. Jedna ze tří projekcí (na horním obrázku označená písmenem a) zobrazených díky gravitačnímu efektu skupiny Abell 2744 vykazovala rudý posuv větší než 4 (s 95% jistotou). Ve skutečnosti její zabarvení odpovídalo z=10, ale astronomové si nebyli jisti, zda nejde o daleko bližší objekt pouze silně do ruda zabarvený. Co teď s tím?

Bylo nutno vyvinout novou metodu, která by pomohla lépe určit skutečnou polohu velmi vzdálené galaxie. Prvním krokem bylo co nejpodrobnější zpracování pozorovacích dat mezilehlého klastru Abell 2744. A těch bylo díky dlouhodobému výzkumu dané oblasti za pomoci HST skutečně mnoho. Na jejich základě vytvořili astronomové mapy distribuce hmoty v této kupě a její celkové prostorové geometrie. Ty jim pomohly při vytvoření nového přesnějšího matematického modelu, který popisuje, jak se chová světlo vzdáleného zdroje při průchodu deformovanou oblastí prostoročasu v důsledku gravitace kupy.

Zvětšit obrázek

Ilustrace vícenásobného zobrazení díky gravitačnímu čočkování jako pomocníka při určení skutečné vzdálenosti objektů zobrazených kolem mezilehlé galaktické kupy. Kredit: Dan Coe (STScI) Zdroj

Tím byli vědci poprvé schopni určit geometrické vlastnosti gravitačního čočkování. Zjistili, že čím je objekt za mezilehlou kupou vzdálenější, tím dál od centra se nám zobrazí. Na předchozím obrázku je tento jev zjednodušeně graficky vyjádřen. Do budoucna mají tedy astronomové silného pomocníka při potvrzení hodnoty rudého posuvu. Velmi zjednodušeně: pokud bude vzdálený objekt blíže k centru zdroje čočkování, tím blíže se k němu (a tedy i k nám) v prostoru nachází. Předpokládá to však naše podrobné znalosti mezilehlého zdroje gravitačního čočkování.

A naopak. Když budeme schopni určit přesněji parametry vzdáleného zdroje, lépe pochopíme dynamiku galaktických klastrů. Program Frontier Fields má novou mocnou zbraň při průzkumu vesmíru. Další dva roky pozorování jsou totiž – co se metody týče – identické.

Další aplikací daného matematického modelu čočkování kupy Abell 2744 budou astronomové schopni přesněji měřit polohu vzdálených objektů kdekoli na obloze. Tento výzkum teprve začíná a my zcela jistě můžeme v budoucnu čekat jeho postupné vylepšení a rozšíření.

Zvětšit obrázek

Předpokládané pozice trojnásobného zobrazení nového galaktického kandidáta s velkým rudým posuvem, na kterého vědci aplikovali matematický model uplatněný při čočkování kupy Abell 2744. Vícenásobné projekce A, B a C vykazují z=8 a výš. Kredit: Adi Zitrin et al., ApJ, 793 (2014) Zdroj

Zdroje:
http://www.stsci.edu/hst/campaigns/frontier-fields/
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/39/full/
http://frontierfields.org/2014/11/12/grav_forensics/
http://frontierfields.org/2014/10/23/first-galaxy-field-complete-abell-2744/