Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 10 (vyšlo 6. března), ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

10/2009

Sonda Kepler se vydává do vesmíru hledat obyvatelné planety

Petr Kubala

Tiskové prohlášení ČAS a AÚ AV ČR, v. v. i. 128 z 5. 3. 2009

Jsme ve vesmíru sami? Stejnou nebo podobnou otázku si alespoň jednou položil snad každý. Lidstvo se v těchto dnech chystá udělat doposud největší krok k zodpovězení této otázky. Na floridském Mysu Canaveral je ke startu připraven kosmický dalekohled Kepler. Hrdě nesoucí jméno hvězdáře, jenž počátkem 17. století působil v Praze, se má v sobotu 7. března vydat dalekohled NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. do vesmíru. Jeho cílem je najít planety, na kterých by se mohl nacházet život.

Obíhají také okolo cizích hvězd planety? Na tuto otázku odpověděli v roce 1995 dva astronomové ze Ženevské observatoře, když nalezli planetárního průvodce hvězdy 51 Peg. Do dnešních dní se astronomům podařilo objevit více než 340 planet u cizích hvězd, kterým se říká exoplanety. V drtivé většině se ale jedná o velké plynné planety, obíhající velmi blízko svých sluncí. Zatím se nepodařilo objevit planetu podobnou ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., jež by obíhala v takové vzdálenosti od své hvězdy, aby se na jejím povrchu mohla nacházet voda v tekutém skupenství. Změnit to má právě sonda Kepler. Podle odhadů by Kepler mohl během 3,5 let trvající mise nalézt až 50 exoplanet s průměrem Země.

Kepler se představuje

Primární zrcadlo dalekohledu má průměr 1,4 metru a je Schmidtova typuSchmidtův dalekohled – dalekohled s primárním kulovým zrcadlem, v jehož ohnisku je detektor (CCD, fotografická deska) a před zrcadlem je v jeho středu křivosti korekční deska (čočka). Systém navrhl estonsko-švédský optik Bernhardt Schmidt v roce 1930.. Kepler je vybaven fotometremFotometr – přístroj k měření světelných hodnot (světelného toku, jasu, teploty, barvy). Používá se například ve fotografii k hodnocení účinků světla na citlivou vrstvu nebo v chemii k určení světelné absorpce roztoků. Fotometr využívá zpravidla fotoelektrického jevu, kdy fotonka, fotodioda či fotonásobič převádí intenzitu osvětlení na elektrický signál. o počtu 42 CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí až 5120×5120 pixelů velkou. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) čipů. Každý z nich má velikost 50×25 mm. Jednotlivé dvojice CCD budou pozorovat určitý výsek oblohy v podobě čtverce. Zorné pole dalekohledu Kepler má průměr 12 obloukových stupňů, což odpovídá 24 měsíčním úplňkům a najdeme ho v souhvězdí Labutě mezi jasnými hvězdami Deneb a Vega. Oblast naleznete na letní obloze velmi snadno. Zmíněné hvězdy tvoří společně s hvězdou Altair tzv. letní trojúhelník, běžně využívaný k orientaci na obloze.

Popis dalekohledu Kepler. Zdroj: NASA.

Zorné pole sondy Kepler. Zdroj NASA.

Start v noci na sobotu 7. března

Dalekohled Kepler do vesmíru vynese nosná raketa Delta IIDelta II – nosná raketa využívaná NASA. Raketu původně navrhla společnost McDonnell Douglas, která později fúzovala se společností Boeing. Dnes má mnoho variant s výškou 38 až 39 metrů, průměrem 2,44 metru a hmotností 150 až 230 tun. Raketa se používá od roku 1989 a vynesla více než 100 významných vědeckých družic a sond. (7925-10L). Start se očekává z Mysu Canaveral v sobotu 7. března ve 4:49 našeho času. Původně se měl Kepler vydat na svou misi už o den dříve, ale start byl odložen kvůli nedávné havárii rakety Taurus XL s družicí OCO. Obě nosné rakety sice nemají nic společného, prevence je ale v těchto případech na místě. Kosmický dalekohled Kepler bude naveden na heliocentrickou oběžnou dráhu s oběžnou dobou 372,5 dne.

Nosná raketa Delta II (7925-10L) se sondou Kepler. Zdroj NASA.

Pozice dalekohledu v kosmickém prostoru zaručuje splnění dvou hlavních předpokladů. Dalekohled musí mít takovou dráhu, aby mohl po dobu celé mise nepřetržitě 24 hodin denně a sedm dní v týdnu pozorovat stejné místo na obloze v souhvězdí Labutě. Druhým předpokladem je fakt, že se mu do zorného pole nikdy nedostanou SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. či MěsícMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl)., jež by pozorování narušily. Kromě toho nebude Kepler vůbec ovlivněn rušivými vlivy ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. (atmosféraAtmosféra – plynný obal vesmírného tělesa, který si těleso drží vlastní gravitací. Atmosféru mají především planety. Málo hmotné atomy z atmosféry relativně snadno unikají do meziplanetárního prostoru., magnetické pole apod.). Sonda se bude od naší planety postupně vzdalovat, až ji za dlouhých 61 let opět dožene. Prvních asi 60 dní zabere testování přístrojů a příprava na vědeckou část mise. Ta má trvat minimálně 3,5 roku s možností prodloužení až na šest let.

Jak bude Kepler exoplanety hledat?

Sonda Kepler bude hledat exoplanety metodou tranzitníTranzit – přechod nebeského tělesa přes jiné těleso. Příkladem může být situace, kdy z místa pozorovatele přechází (většinou opakovaně) exoplaneta přes mateřskou hvězdu. Klíčovými parametry tranzitu jsou: počátek tranzitu (vstup), střed tranzitu, konec tranzitu (výstup) a hloubka tranzitu neboli pokles magnitudy pozorovaného tělesa způsobený přechodem. fotometrieFotometrie – část astronomie zabývající se zkoumáním a porovnáváním světla z různých zdrojů z hlediska jeho působení na lidský zrakový orgán. Sledované fotometrické veličiny, například jasnost, světelný tok nebo osvětlení zohledňují vedle vlastností dopadajících fotonů fyziologii našeho zraku.. Pokud exoplaneta z našeho pohledu přechází před svou hvězdou, dojde k poklesu jasnosti hvězdy, což lze měřit. Při pozorování hvězd podobných SlunciSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. je pokles jasnosti (hloubka tranzitu) při přechodu obří planety o velikosti JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. či SaturnuSaturn – druhá největší planeta sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. asi 1 %. U planety o velikosti UranuUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5^m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a  je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety. či NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru. je to už jen asi 0,1 % a detekovat planetu zemského typu znamená rozlišit pokles jasnosti o méně než 0,01 %. Do dnešních dní bylo touto metodou pozorováno téměř 60 exoplanet z celkového počtu 340. Kepler bude proměřovat 100 000 vybraných hvězd v souhvězdí Labutě. Všechny hvězdy se nacházejí ve vzdálenosti přibližně do tří tisíc světelných rokůSvětelný rok (ly) – vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, 1 ly = 9,46×10¹² km.. Očekává se, že by sonda Kepler měla objevit:

Celkem se tedy jedná o 875 exoplanet o velikosti do 2,2 průměru Země. Pro srovnání uveďme, že do startu sondy Kepler se od roku 1995 podařilo objevit na 340 exoplanet. Většina z nich jsou ale obří planety, obíhající velmi blízko svých sluncí. Kepler tak doslova přepíše současné katalogy exoplanet k nepoznání. Všechny odhady jsou ale jen předpoklady, takže nakonec můžeme být překvapeni (jakkoliv).

Přípravy sondy Kepler. Zdroj: NASA.

Cíle mise

Hlavním úkolem je hledání exoplanet o velikosti Země, které obíhají v zóně života, takže se na jejich povrchu může nacházet voda v tekutém skupenství. V žádném případě to ale neznamená, že se na těchto planetách nachází život. Rovněž další objevy budou více než důležité pro lepší pochopení vzniku a vývoje planetárních systémů. Dokonce i neobjevení žádné planety zemského typu v zóně života nebo objev malého počtu takovýchto planet by byl přínosem – ukazoval by na vzácnost planet vhodných k životu ve vesmíru.

První objevy by měly být oznámeny už koncem letošního roku. Bude se jednat převážně o obří exoplanety s oběžnou dráhou několika dní. Na objev exoplanet s podobnými parametry jako má Země (hmotnost, oběžná doba), obíhajících okolo hvězd slunečního typu, bude nutné si počkat do konce roku 2011.

Pojmenována po astronomovi, který působil v Praze

Sonda Kepler je pojmenována po německém astronomovi Johannesu Keplerovi, který počátkem 17. století působil řadu let v Praze. Právě v našem hlavním městě publikoval přesně před 400 lety své vrcholné dílo Astronomia Nova (Nová astronomie), ve kterém nastínil dva ze svých tří nebeských zákonů. Keplerovy zákony se dnes používají nejen pro výpočet drah planet sluneční soustavy, ale právě i při výzkumu exoplanet či v kosmonautice. Rok 2009 byl vyhlášen Mezinárodním rokem astronomie. Primárně se sice připomíná výročí prvního pozorování oblohy dalekohledem, které učinil roku 1609 Galileo Galilei, ale dalším tématem roku astronomie je právě stejné výročí díla Astronomia Nova. V Praze bude navíc letos otevřeno Keplerovo muzeum a uskuteční se mezinárodní konference.

Start živě na internetu

Start sondy Kepler bude živě vysílat NASA TV, kterou si můžete naladit na internetu, například na stránkách České astronomické společnosti. Textový online přenos připravuje web o exoplanetách a životě ve vesmíru www.exoplanety.cz.

Umístění sondy Kepler v nosné raketě. Zdroj: NASA.

Klip týdne: Kepler

Kepler: Sonda Kepler byla přivezena do Kennedyho vesmírného střediska 6. ledna 2009. Na klipu je patrný test solárních panelů za pomoci umělého osvětlení a transport sondy. Na své čtyřleté misi bude sonda v malé oblasti Mléčné dráhy (v souhvězdí labutě) hledat planety podobné Zemi, které se nacházejí v tzv. obyvatelné zóně mateřské hvězdy. Sonda proměří 100 000 hvězd. K tomu jí slouží dalekohled o průměru 1,2 metru. Start sondy by měl proběhnout 7. března 2009 z Mysu Canaveral.  (avi, 33 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu