Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 7 (vyšlo 18. února, ročník 9 (2011)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Planck – první výsledky II

Petr Kulhánek

Mikrovlnná observatoř Planck je primárně určena pro výzkum reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí).. Na výsledky harmonické analýzyHarmonická analýza – rozklad signálu do násobků základní frekvence. Z harmonické analýzy lze určit mnoho informací o zdroji a vlastnostech signálu. U reliktního záření jde o zjištění zastoupení různě velikých fluktuací na obloze. fluktuací reliktního záření si ale budeme muset ještě nějaký čas počkat. Po roce a půl činnosti sondy Planck je ale k dispozici řada jiných významných souborů dat a objevů, ze kterých je patrné, že sonda Planck je klenotem současné mikrovlnné astronomie. V druhé části tohoto přehledu se seznámíme s katalogem kompaktních mikrovlnných objektů, s objevy velmi vzdálených galaktických kup a s novými pohledy na naší Galaxii – Mléčnou dráhu.

Logo

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Dnes je k dispozici nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Rakety startují ze základny Kourou ve Francouzské Guianě.

Planck – mikrovlnná observatoř evropské kosmické agentury ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Byla určena k výzkumu fluktuací reliktního záření a monitorování vesmíru v mikrovlnné oblasti. Měla úhlovou rozlišovací schopnost 5′ a teplotní citlivost 2 μK. Oblohu snímkovala v devíti frekvenčních pásmech od 30 do 857 GHz (0,2 až 10 mm). Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,9×1,5 m. Teplotu vysokofrekvenční části ohniska se podařilo po dobu dvou let udržet na extrémně nízké hodnotě 0,1 K. Činnost sondy byla ukončena v říjnu 2013.

Sunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru.

Katalog kompaktních objektů (CSC)

Dne 11. ledna, roku 11 v 11 hodin byl symbolicky předán odborné i laické veřejnosti předběžný katalog kompaktních objektů pozorovaných sondou Planck v mikrovlnné oblasti (30 až 857 GHz). Katalog je založen na pozorování sondy v období mezi 13. srpnem 2009 až 6. červnem 2010 (tedy dominantně na první přehlídce) a čítá 15 000 objektů jak z naší Mléčné dráhy, tak z míst mimo naši Galaxii. Jde o předběžný katalog s označením ERCSC (Early Release Compact Source Catalogue), s finální verzí katalogu pod elegantnějším názvem CSC (Compact Source Catalogue) se počítá až v roce 2013. Již z předběžné verze je ale zjevné, že jde o mimořádný počin. Pokud bude některé pracoviště chtít v budoucnosti najít vhodný objekt pro pozorovací program v mikrovlnné oblasti, nepochybně bude hledat vhodné kandidáty na výzkum právě v unikátním katalogu CSC. Předběžná verze katalogu je dostupná na internetové stránce www.rssd.esa.int/Planck, ze které si můžete spustit JAVA aplikaci určenou pro práci s katalogem. Pokud se nechcete zdržovat úvodními stránkami, spusťte si rovnou přístupovou aplikaci na adrese http://pla.esac.esa.int/pla/pla.jnlp. Na úvodní obrazovce si můžete vybrat buď jednu z devíti frekvencí, na kterých probíhalo měření, nebo jen chladná galaktická jádra či kupy galaxií objevené na základě Sunjajevova-Zeldovičova jevuSunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru.. Dále zadáte rozsah souřadnic, ve kterých Vás objekty zajímají a katalog vypíše seznam všech nalezených objektů. Zatrhnete si ty, které Vás zajímají a získáte o nich dostupné informace, pořízené fotografie a jejich polohu na interaktivní mapě. Prostředí je intuitivní a uživatelsky velmi příjemné.

CSC katalog

Obr. 1. Uživatelské rozhraní předběžného CSC katalogu.

Kompaktní objekty v Galaxii

Obr. 2. Předběžný CSC katalog, kompaktní objekty v naší Galaxii.

Kompaktní objekty mimo Galaxii

Obr. 3. Předběžný CSC katalog, mimogalaktické kompaktní objekty. Nejjasnějším objektem (vpravo dole) je Velké Magellanovo mračnoLMC – Large Magellanic Cloud, Velké Magellanovo mračno. Trpasličí souputník naší Galaxie ve vzdálenosti 180 000 l.y. Jde o nádherný objekt viditelný spolu s Malým Magellanovým mračnem na jižní obloze.. V oblasti roviny Galaxie nebylo možné mimogalaktické objekty detekovat.

Důležitým počinem je samotné vytvoření katalogu, který umožňuje statistické zpracování údajů o mikrovlnných kvazarechKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (1035 až 1040 W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty., blazarechBlazar – nejenergetičtější skupina galaxií s kompaktním aktivním jádrem. Buď jde o rychle proměnné kvazary OVV (Optically Violently Variable) nebo o proměnné galaxie typu BL Lacertae., galaxiíchGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. a dalších objektech. Některé zdroje jsou plošné, u některých nedokážeme zatím rozlišit žádné detaily a hovoříme o nich jako o bodových zdrojích. Část mikrovlnných zdrojů známe již z minulosti z katalogu infračervené družice IRASIRAS PSC Redshift Survey (PSCz) – přehlídka červených posuvů 15 000 galaxií zachycených v katalogu bodových zdrojů IRAS Point Source Catalogue. Přehlídka zahrnuje více jak 83 % oblohy, jde o nejrozsáhlejší celooblohovou přehlídku, která v současnosti existuje. Pozorování probíhala na několika přístrojích v letech 1992 – 1995. . V blízkých galaxiích byl nalezen chladný rotující prach, jehož teplota nepřesáhne 10 K. Ve Velkém Magellanově mračnuLMC – Large Magellanic Cloud, Velké Magellanovo mračno. Trpasličí souputník naší Galaxie ve vzdálenosti 180 000 l.y. Jde o nádherný objekt viditelný spolu s Malým Magellanovým mračnem na jižní obloze. byla detekována dokonce dvě ramena. Vnitřní rameno je teplé a bylo objeveno již Spitzerovým vesmírným dalekohledemSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a  pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology.. Vnější rameno (objevené Planckem) je chladné, snad složené z prachu.

Sunjajevovy-Zeldovičovy objekty

FotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). putují Vesmírem a postupně chladnou. Někdy se ale na své cestě mohou potkat s horkým prostředím nějaké kupy galaxií a interagovat s horkými elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., jejichž energie je několik kiloelektronvoltůElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Energie samotných fotonů je přitom jen několik desetin milielektronvoltů. Při takové interakci dojde k inverznímu Comptonovu rozptyluComptonův rozptyl – rozptyl fotonů (zpravidla RTG nebo gama záření) na volných elektronech. Při tomto rozptylu se snižuje energie fotonů. V akrečních discích černých děr probíhá inverzní Comptonův rozptyl, při kterém se nízkoenergetické fotony rozptylují na elektronech s vysokou energií. Při tomto procesu fotony energii získávají a mění se na rentgenové nebo gama fotony. fotonů na elektronech a k jejich ohřevu. Na mapě reliktního záření se ve směru kupy objeví oblast s nepatrně vyšší teplotou reliktního záření. Jev poprvé předpověděli v roce 1972 Sunjajev a Zeldovič.

SZ jev

Sunjajevův-Zeldovičův jevSunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru. lze využít k vyhledávání velmi vzdálených kup galaxiíKupy galaxií – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru tvořené třemi hlavními složkami:
 – stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,
 – obrovskými mraky horkých plynů,
 – temnou hmotou zatím neznámé povahy.
Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, radiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je miliardy až stovky miliard Sluncí.
(informovali jsme o tom v AB 36/2010). Najdeme-li v reliktním zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). charakteristickou oblast s nepatrně zvýšenou teplotou, je možné, že jde o důsledek průchodu fotonů horkým prostředím kupy. Jak to ale nezávisle ověřit? Samotné horké elektrony v kupě září v rentgenovém oboru. Pokud doplníme pozorování z PlanckuPlanck – mikrovlnná observatoř evropské kosmické agentury ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Byla určena k výzkumu fluktuací reliktního záření a monitorování vesmíru v mikrovlnné oblasti. Měla úhlovou rozlišovací schopnost 5′ a teplotní citlivost 2 μK. Oblohu snímkovala v devíti frekvenčních pásmech od 30 do 857 GHz (0,2 až 10 mm). Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,9×1,5 m. Teplotu vysokofrekvenční části ohniska se podařilo po dobu dvou let udržet na extrémně nízké hodnotě 0,1 K. Činnost sondy byla ukončena v říjnu 2013. pozorováním v rentgenovém oboru a nalezneme strukturu stejného tvaru, je vyhráno. V rentgenovém oboru září horké elektrony kupy a v mikrovlnném oboru fotony reliktního záření, které se o tyto elektrony ohřály. Metoda byla nejprve vyzkoušena na známé kupě galaxií ve Vlasech Bereniky a teprve poté aplikována na objevování nových kup galaxií.

Testování metody na kupě ve Vlasech Berenicy

Obr. 5. Testování metody na známé Kupě ve Vlasech Bereniky. Na levém horním obrázku je podezřelá teplejší skvrna v reliktním záření, čáry představují místa konstantní intenzity (isofoty). Na pravém snímku je tatáž oblast vyfotografovaná rentgenovou observatoří ROSATROSAT – ROentgen SATellite. Německá rentgenová družice vypuštěná NASA v roce 1990. Hlavním přístrojem byl čtyřvrstvý zrcadový dalekohled o průměru 83 cm a ohniskovou vzdáleností 240 cm. Přístroj byl schopen pracovat v energetickém oboru (0,1÷2) keV s úhlovým rozlišením až 40′. Družice pracovala do roku 1999., do které jsou překopírovány isofoty z levého obrázku. Koincidence záření horkých elektronů (napravo) a teplejší skvrny v reliktním záření (nalevo) je zjevná. Na spodních snímcích je tatáž situace doplněná o vizuální obraz jednotlivých členů kupy z digitální přehlídky oblohy DSSDSS – Digitized Sky Surveys (DSS 1, DSS 2) jsou celooblohové digitalizované přehlídky snímků z Palomarského (USA) a Schmidtova (Anglie) dalekohledu. Snímky pokrývají pásma E, V, J, R a N. Fotografické desky zabírající pole 6,5°×6,5° byly skenovány s rozlišením 1″. Snímky jsou přístupné ve formátech FITS a GIF..

Dne 15. září 2010 byla touto metodou objevena první nová nadkupa galaxií (viz AB 36/2010). V tuto chvíli je známo 189 SZ objektů (ohřátých skvrn v reliktním záření), 169 z nich koresponduje se známými kupami galaxií, 20 objektů jsou nové kupy galaxií objevené sondou Planck. Z těchto 20 objektů bylo 12 potvrzeno nezávislým rentgenovým snímkem (11 z XMM-NewtonXMM-Newton – X ray Multi Mirror, rentgenový dalekohled na oběžné dráze (Evropská rentgenová observatoř). Jeho hlavní součástí jsou tři systémy soustředných pozlacených zrcadel o celkové ploše 120 m2. Evropská kosmická agentura (ESA) vypustila do vesmíru observatoř XMM-Newton 10. prosince 1999 z paluby rakety Ariane 5.) a 8 objektů čeká na potvrzení. Všech 189 nalezených objektů tvoří tzv. předběžný katalog Sunjajevovývh-Zeldovičových objektů. Má zkratku ESZ (Early SZ) a je podmnožinou katalogu kompaktních objektů CSC (http://pla.esac.esa.int/pla/pla.jnlp). Není bez zajímavosti, že z charakteru skvrny je možné zjistit, zda se ohřála od tepelného pohybu elektronů nebo od jejich uspořádaného proudění.

ESZ katalog

Obr. 6. Předběžný katalog SZ objektů má v době vyjití bulletinu 189 objektů.

Nové pohledy na Mléčnou dráhu

Planck umožňuje také mikrovlnné snímání objektů Mléčné dráhy. Jde zejména o oblasti studeného prachu, prachoplynné oblasti, mlhoviny a molekulární mračna. Lidské oko není citlivé na mikrovlnnou oblast, a tak se pořízené snímky obarví do falešných barev. Pokud jde o jeden jediný snímek na konkrétní frekvenci, barvy kódují pouze intenzitu signálu. Jinou možností je využít tři snímky daného objektu v různých frekvencích, nejnižší frekvenci obarvit červeně, prostřední zeleně a nejvyšší modře a poté z těchto tří snínků složit jeden jediný snímek, který připomíná barevné snímky z optického oboru. Existují ale i jiné způsoby barevného kódování snímků.

Prach v Mléčné dráze

Obr. 7. Prach v Mléčné dráze. Jde o snímek vysokofrekvenčním přístrojem HFI na frekvenci 857 GHz. Jednotlivé barvy znamenají intenzitu signálu (modrá nulovou, tmavě červená maximální). Temný pruh leží v rovině Mléčné dráhy, jde o chladný prach. Snímek má úhlový rozměr cca 55°. Dobře patrné jsou filamentární struktury, které prach vytváří.

Červený kanálZelený kanálModrý kanál

Perseus

Obr. 8. Hvězdná porodnice v souhvězdí Persea o velikosti 30×30°. Snímek je v nepravých barvách a vznikl složením tří snímků z devíti pořízených Planckem. Snímku na frekvenci 30 GHz byla přiřazena červená barva, snímku na 353 GHz zelená a na 857 GHz modrá. Obarvené snímky, ze kterých vznikla výsledná kompozice jsou v horní řadě.

Dokončení příště

Klip týdne

Planck

Sonda Planck pozorovaná 2,2metrovým dalekohledem Evropské
jižní observatoře v chilských Andách. Astronomové si
nejprve mysleli, že objevili novou planetku.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage