Euclid – představení

Temnou hmotu a temnou energii, záhadné substance, které dohromady tvoří 95 procent hmoty – energie našeho vesmíru, jsme si podrobněji popsali ve dvou minulých článcích. Kromě významu, který mají temná hmota i energie samy o sobě, jsme je tak detailně probírali zejména z důvodu, že Evropská kosmická agentura chystá na letošní rok start kosmické sondy Euclid, která by měla právě temnou hmotu a temnou energii výrazněji probádat. A protože se okamžik vzletu již velmi blíží, pojďme si tuto zajímavou misi více představit.

Původ projektu

Euclid je sonda, která se připravuje v rámci programu Evropské kosmické agentury nazvaného Cosmic Visions. Jde o kampaň vědeckých a výzkumných misí navazující na předchozí kampaň Horizon 2000 Plus, v jejímž rámci se do kosmického prostoru podívaly mise Lisa Pathfinder, Bepi Colombo a Gaia. Program Cosmic Visions je rozdělen na čtyři kategorie, nejlevnější S (Small), středně nákladné M (Medium), drahé L (Large) a speciální kategorii F (Fast), jež startuje společně se sondami kategorie M.

Euclid spadá právě do třídy M, v níž jej ESA vybrala jako druhou misi po sondě Solar Orbiter. Respektive, obě mise byly vybrány společně v říjnu 2011, nicméně Solar Orbiter dostal přednost v tom smyslu, že měl odstartovat dříve. Do výběrového řízení v roce 2007 přitom odborníci původně přihlásili dva návrhy, The Dark Universe Explorer (DUNE) a Spectroscopic All-Sky Cosmic Explorer (SPACE). Oba projekty byly ale do značné míry podobné ve svých cílech, proto se jako nejlepší řešení nakonec ukázalo oba návrhy zkombinovat do jediné mise nazvané podle legendárního řeckého matematika Eukleida považovaného za otce geometrie.

Vědecké cíle

Jak už tušíte z výše řečeného, nejdůležitějším úkolem teleskopu Euclid je průzkum temné složky vesmíru, tedy temné hmoty a temné energie. V minulých článcích jsme si řekli, že temná energie tvoří 67 % hmoty – energie vesmíru, temná hmota pak 28 %. Běžná baryonová hmota, z níž jsme složeni a která tvoří i všechny objekty, jež ve vesmíru běžně zkoumáme a pozorujeme, je zastoupena pouhými pěti procenty.

Euclid bude mít ještě jednu náplň práce, která však s primárním cílem úzce souvisí. Jde o snahu změřit geometrii vesmíru na globální i lokální úrovni. Jak ve 20. letech minulého století ukázali Alexander Fridman a Georges Lemaître, může být celková geometrie vesmíru v podstatě trojí – kladná, záporná nebo plochá. To, jakou má vesmír geometrii může velmi zásadně ovlivnit jeho budoucí vývoj. Z dosavadních měření, kdy se získaná data srovnávají s tzv. kritickou hustotou, se zdá, že náš vesmír má plochou geometrii. Neznamená to, že ostatní případy jsou vyloučeny, jen to, že se průměrná hustota látky velmi blíží kritické hustotě.

Více přiblížit definitivní odpovědi na tyto zásadní otázky kosmologie by nám měl právě Euclid. Aby toho mohl dosáhnout, bude velmi podrobně sledovat objekty ve vesmíru a to i ty velmi vzdálené. Vidět by měl minimálně galaxie a další objekty až do rudého posuvu 2 (prodloužení vlnové délky na straně přijímače, je-li rudý posuv roven dvěma, prodloužila se vlnová délka světla od jeho vyzáření zdrojem do přijetí našimi teleskopy dvakrát). To odpovídá zhruba vzdálenosti 10 miliard světelných let. Euclid tak spatří značnou část kosmické expanze a bude moci dobře zmapovat evoluci galaxií. Především však uvidí celou historii vesmíru v níž měla zásadnější roli temná energie.

Takto vzdálené galaxie jsou ještě pro Euclid dostatečně jasné, aby bylo možné určit hodnotu rudého posuvu spektroskopicky. To znamená, že se přesně naměří spektrální čáry, které dovolí jednak stanovit chemické složení vzdáleného objektu, ale současně též zjistit přesnou rychlost a vzdálenost dané galaxie. Díky tomu potom budeme vědět, jak moc temná energie v konkrétním období kosmické historie přispívala k expanzi vesmíru a rovněž zjistíme rozložení galaxií v čase i prostoru (ve 3D).

K pozorování hodně dalekých galaxií pomohou i gravitační čočky, jevy při nichž bližší hmotné objekty zesilují a deformují světlo vzdálenějších objektů. Tímto způsobem se například hledají extrémně vzdálené galaxie v hlubokých polích nasnímaných Hubbleovým či Webbovým dalekohledem, ale dají se tak hledat též vzdálené extrasolární planety. Důležitý poznatek však pro nás představuje především skutečnost, že kromě běžných objektů lze gravitačním čočkováním sledovat i temnou hmotu. U čočkujícího objektu v popředí, který zakřivuje světlo vzdálenějších galaxií, totiž gravitačně působí nejen standardní, ale i temná hmota. Díky tomu můžeme mapovat její rozložení v kosmu.

Ovšem na rozdíl od tzv. silného čočkování, které vídáme například na obrázcích Webbova dalekohledu, se v tomto případě uplatní nejvíce slabé čočkování. U něj nespatříme několikanásobné obrazy typické právě pro silné čočky, jakož spíše eliptické zkreslení obrazu. Tento typ gravitační čočky potřebuje extrémně vysokou kvalitu obrazu.

Euclid bude taktéž schopen využívat tzv. baryonové akustické oscilace. Název vypadá dosti složitě, ale v zásadě jde o sledování fluktuací v hustotě viditelné baryonové hmoty. Tedy poněkud zjednodušeně řečeno zkoumání velkorozměrových struktur kosmu a naopak tzv. bublin prázdnoty, kde téměř žádná hmota není přítomna. Akustické se těmto oscilacím říká z toho důvodu, že byly vytvořeny akustickými vlnami v primordiálním plazmatu těsně po vzniku vesmíru. V rámci této kampaně umožní Euclid proměřit rudé posuvy galaxií s přesností 0,1 %, což dokáže díky velmi citlivým spektroskopickým měřením.

Výše uvedené metody dovolují detailně měřit vlastnosti temné hmoty a energie. A co je ještě důležitější, umožní rovněž stanovit jejich změny v čase. Aby to ovšem teleskop dokázal, musejí být pozorování nesmírně precizní. Proto bude nutná velmi pečlivá kalibrace všech přístrojů. Jakákoliv chyba by mohla vést k nepoužitelnosti získaných údajů.

Co a kde bude Euclid pozorovat? 

Na rozdíl od některých předchozích misí ESA (jako byla například sonda Planck) nebude Euclid snímat celou oblohu, ale jen její vybrané části. Velká většina pozorovacího času bude věnována obecnějšímu a širšímu průzkumu, jenž bude pokrývat zhruba třetinu oblohy. Celá rovina Mléčné dráhy a blízké oblasti budou vynechány, neboť nejsou pro výzkum vzdáleného kosmu perspektivní, teleskop by v těchto oblastech nic vzdálenějšího než objekty naší Galaxie prostě spatřit nedokázal. Z podobných důvodů bude vynecháno i několik dalších oblastí s hustou koncentrací objektů blízkého vesmíru.

Přibližně desetina pozorovacího času bude ale věnovaná detailnímu průzkumu pouhých tří oblastí. Jde o tzv. Euclidova hluboká pole, dvě na jižní obloze a jedno na severní. Tato pole vybrali odborníci speciálně (mimo jiné i díky datům z observatoře Gaia) tak, aby obsahovala minimum jasných hvězd Mléčné dráhy, co nejméně zodiakálního světla a mezihvězdného materiálu naší Galaxie. Důležitým kritériem byla i blízkost vybraných oblastí k severnímu a jižnímu pólu ekliptiky, což zaručuje mimořádně dobrou pozorovatelnost po celý rok. Společně mají všechna tři pole rozlohu asi 40 čtverečních stupňů (pro srovnání, celkově bude Euclid prohlížet plochu 15 000 čtverečních stupňů), což je asi dvousetnásobek plochy Měsíce v úplňku.

Severní hluboké pole (10 čtverečních stupňů) se nachází v souhvězdí Draka a částečně se překrývá s jedním z hlubokých polí Spitzerova infračerveného dalekohledu. Druhé pole, také o rozloze 10 čtverečních stupňů, leží na jižní obloze v souhvězdí Pece (pokud je vám povědomé, máte pravdu, v tomto souhvězdí leží i několik hlubokých polí Webbova dalekohledu) a překrývá se s hlubokými poli sledovanými observatořemi Chandra, XMM-Newton a Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Třetí hluboké pole je největší, pokrývá 20 čtverečních stupňů a najdeme jej v souhvězdí Hodin. Toto pole vybrali specialisté s ohledem na potenciální pozorování budoucích velkých pozemních observatoří jako je Vera Rubin Observatory v Chile. Oblast v souhvězdí Hodin navíc dosud nikdy nebyla takto detailně prozkoumána, proto má mimořádný potenciál pro nové pozoruhodné objevy.

Pro pokrytí 15 000 čtverečních stupňů obecného průzkumu bude potřeba 30 000 jednotlivých pozorování, kdy teleskop vždy bude zabírat určitou část oblohy, aby se následně posunul kousek vedle na jinou část. Překryvy těchto snímků budou minimální. Oproti tomu do každého hlubokého pole by se měl Euclid vrátit nejméně čtyřicetkrát. Díky tomu by se mělo povést odhalit zdroje slabší až o dvě magnitudy, než při šířeji zaměřeném průzkumu větší části oblohy. Mnohonásobné návraty do téže oblasti ale pomohou i s kalibrací teleskopu a jeho přístrojů, čemuž bude věnovaný zbylých několik procent pozorovacího času.

Vývoj

Sondu Euclid vybrali zodpovědní činitelé ESA k realizaci v říjnu 2011, v červnu 2012 pak následovalo definitivní potvrzení výběru, když došlo k formálnímu přijetí. Zakázku na stavbu observatoře získala italská firma Thales Alenia Space, servisní modul zajistí francouzská společnost Airbus Defence and Space.

Na projektu se podílí konsorcium více než tisíce vědců složené ze zástupců čtrnácti států světa. Z toho třináct leží, vcelku nepřekvapivě, v Evropě. Čtrnáctým jsou Spojené státy americké, které s ESA uzavřely dohodu o účasti na projektu v lednu 2013. Americká strana poskytla detektory pro přístroj NISP pracující v blízké infračervené oblasti a jmenovala čtyřicet vědců do již zmíněného konsorcia teleskopu Euclid. Vědci zastoupeni v tomto konsorciu stojí za vývojem vědeckých přístrojů a budou se také starat o analýzu dat, na něž pochopitelně budou mít přednostní právo.

Důležitým milníkem prošel Euclid v roce 2015, kdy došlo k dokončení velkého množství technických návrhů a podrobnému přezkoumání celého konceptu. Rovněž se podařilo postavit a otestovat klíčové komponenty sondy. O tři roky později došlo k finálnímu a nejdůležitějšímu přezkoumání návrhu s cílem ověřit funkčnost designu teleskopu. Protože vše dopadlo dobře, bylo rozhodnuto o zahájení konečné montáže observatoře. V roce 2020 se potom povedlo dokončit konstrukci vědeckých přístrojů, které technici odeslali do Francie, aby mohly být integrovány do těla sondy.

Konstrukce sondy a přístroje

Euclid má mít startovní hmotnost 2 160 kilogramů, z toho na užitečné zatížení připadá 848 kilogramů. Co do velikosti bude observatoř mít rozměry 4,5 x 3,1 metru. Kvůli pozorování ponese Korschův teleskop s průměrem 1,2 metru, ohniskovou vzdáleností 24,5 metru a zorným polem půl čtverečního stupně. Teleskop bude schopen pracovat na vlnových délkách 550 nanometrů až 2 mikrometry, což pokrývá oblast mezi zelenou barvou ve viditelném světle a blízkou infračervenou oblastí. Rozlišení činí 0,1 obloukové vteřiny ve viditelném světle a 0,3 obloukové vteřiny v infračerveném záření.

Na palubě jsou umístěny dva vědecké přístroje – VIS a NISP. Kamera VIS funguje ve viditelné a blízké infračervené oblasti na vlnových délkách 550-920 nanometrů. Její CCD snímače obsahující 600 milionů pixelů umožní podrobné měření tvarů galaxií a také zkoumání efektů gravitačních čoček. VIS bude proto zkoumat hlavně rozložení temné hmoty v prostoru i čase.

Kamera NISP pracuje na vlnových délkách 900-2000 nanometrů (2 mikrometry) v blízké infračervené oblasti. Také zde najdeme CCD snímače, v tomto případě obsahující 65 milionů pixelů. NISP umožní fotometrické měření rudých posuvů velkého množství vzdálených galaxií a tím i určení jejich vzdáleností. Jak už ale víme z článků o Webbově dalekohledu a velkém třesku, fotometrická měření vzdálenosti nejsou zcela přesná. Z toho důvodu disponuje NISP také spektrometrem, jenž dovolí ověřit fotometrická měření s desetkrát vyšší přesností. Díky spektrometru bude NISP rovněž umět sledovat baryonové akustické oscilace.

Kromě části s vědeckými přístroji bude mít Euclid i servisní modul se solárními panely a korekčními motory, které umožní velmi přesnou stabilizaci a orientaci sondy nutnou pro získání co nejlepších výsledků. Vědecká část je pochopitelně pečlivě izolována od zbytku těla teleskopu, tak aby nedocházelo k tepelnému rušení pozorování. Telekomunikační systém Euclidu je schopen za den odeslat 850 GB dat a to rychlostí 55 Mbit za sekundu. Jako příjemce poslouží stanice Cebreros nacházející se v centrálním Španělsku, asi 90 kilometrů od Madridu. Teleskop tedy nemůže vysílat celý den, ale pouze v určitém časově omezeném okně, když vidí na Zemi.

Vliv ruské invaze na Ukrajinu

Bohužel se v případě našeho představení sondy Euclid nejde nezmínit o politice, konkrétně dopadech ruských akcí na ukrajinském území. Podle původních plánů měla totiž Euclid do kosmického prostoru vynést raketa Sojuz 2.1b/ST (též Sojuz ST-B) ruské výroby, ovšem sloužící Evropské kosmické agentuře a také startující z evropského kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně na severu Jižní Ameriky.

Do těchto plánů ovšem v únoru loňského roku vstoupila nevyprovokovaná ruská agrese vůči Ukrajině. V rámci následných opatření a sankcí proti ruské straně, které začaly brzy uplatňovat evropské státy, došlo zakrátko k rozhodnutí ukončit spolupráci s Ruskem i v případě většiny kosmických projektů. To postihlo například družice systému OneWeb, marsovský rover Rosalind Franklin, ale též náš Euclid.

Start teleskopu kvůli tomu musel být o něco odložen, což ale nebyl hlavní problém. Začalo se totiž intenzivně řešit na jaké raketě Euclid poletí. Zvažoval se přesun na Ariane 6, nicméně tato raketa je prozatím bez jediného startu, první je naplánován až na poslední čtvrtletí roku 2023. To by pro Euclid znamenalo další nepříjemné zdržení.

Z toho důvodu nakonec zodpovědní činitelé upřednostnili vzlet na americké raketě Falcon 9 společnosti Space X, která má za sebou dostatečný počet startů a navíc funguje velmi spolehlivě, zvláště pak v posledních měsících a letech. Termín prvního pokusu o vynesení teleskopu byl určen na začátek červenec letošního roku.

Co nás čeká po startu?

Za předpokladu, že bude Falcon 9 fungovat správně a start se vydaří jak má, což si všichni přejeme, může začít další fáze projektu. Zatím jsme si neřekli nic o použité oběžné dráze. Euclid nebude obíhat kolem Země, ale po startu jej čeká přelet do blízkosti libračního centra L2 soustavy Slunce – Země. Připomeňme si, že librační bod (nebo též Lagrangeův bod) je takové místo v soustavě tří těles obíhajících kolem společného těžiště, v němž se vyrovnávají gravitační a odstředivé síly dvou těžších těles, která působí na třetí lehké těleso. Umístíme-li tedy objekt do libračního centra, nemění vůči soustavě svou polohu a zachovává si od obou těžších těles konstantní vzdálenost.

V každé soustavě je takových libračních center přesně pět. Označujeme je jako L₁ až L₅. Body L₁ až L₃ leží na spojnici obou těžších těles a právě ty jsou pro kosmonautiku velmi zajímavé. Nejvyužívanější bod L₂ leží na vnější straně menšího z obou hmotných těles. V tomto případě tedy Země. Bod L₂ soustavy Slunce – Země se nachází asi 1,5 milionu kilometrů od Země a právě on je cílem mnoha kosmických observatoří. Pracovaly tu sondy Herschel, WMAP či Planck, v současné době tu působí Webb nebo Gaia. A brzy by k nim měl přibýt také Euclid.

Jak se vejdou všechny tyto sondy do jednoho bodu, ptáte se? Nijak. Librační body totiž nejsou v čase stabilní, pokud bychom zde sondu jen tak nechali, vlivem působení dalších těles by velmi brzy došlo k tomu, že by se začala od daného bodu více a více odchylovat. Z toho důvodu nejsou sondy umisťovány přímo do bodu L₂ (nebo jiného, princip je podobný), ale obíhají kolem něj po tzv. Lissajousově oběžné dráze. Ve skutečnosti jsou tak od samotného bodu L₂ poměrně vzdálené, ale právě bod L₂ je ve středu jejich oběžné dráhy. Ani tato oběžná dráha ale není stoprocentně stabilní, teleskop proto bude muset občas provést korekční manévry, aby zůstal tam, kde má být.

Závěr

Sondu Euclid a její cíle jsme si tedy již představili. Nyní nám nezbývá než trpělivě čekat na červenec a přát si, aby Falcon 9 i tentokrát fungoval bezvadně. Ponese totiž z vědeckého hlediska jeden z nejdůležitějších nákladů v historii. V kosmickém prostoru se už vystřídalo množství družic a sond, avšak dosud žádný projekt nebyl přímo určen ke zkoumání temné části našeho kosmu. To se ale nyní změní a my se tak můžeme těšit, že snad mnohé otázky spojené s temnou hmotou a temnou energií budou konečně zodpovězeny. Měření z Euclidu navíc velmi pomohou při výběru zajímavých cílů pro další kosmické i pozemní observatoře jako je již fungující Webbův dalekohled, či Extrémně velký dalekohled v Chile a síť radioteleskopů Square Kilometer Array, jež by měly být spuštěny během příštích několika roků.

Použité a doporučené zdroje

• Euclid ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid
• Euclid NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/euclid/main/index.html
• Euclid JPL: https://www.jpl.nasa.gov/missions/euclid
• Eoportal.org: https://www.eoportal.org/

Zdroje obrázků

• https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/original_images/euclid20170509-full.jpeg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2021/09/bepicolombo_first_mercury_flyby/23478785-1-eng-GB/BepiColombo_first_Mercury_flyby.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2020/06/solar_orbiter_reaches_first_perihelion/22072869-2-eng-GB/Solar_Orbiter_reaches_first_perihelion_pillars.jpg
• https://www.nist.gov/sites/default/files/styles/2800_x_2800_limit/public/images/2020/10/13/matter_pie_0.png?itok=VHAm-1J5
• https://i.stack.imgur.com/OgZSA.gif
• https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-06512ad70ef3c9fd9b75216e35da48cf
• https://www.roe.ac.uk/~heymans/website_images/Gravitational-lensing-galaxyApril12_2010-1024×768.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/33220/35293/1567217155642-SRE-2009-2_EUCLID4-25_410.jpg
• https://www.eoportal.org/ftp/satellite-missions/e/Euclid_040722/Euclid_Auto31.jpeg
• https://www.eoportal.org/ftp/satellite-missions/e/Euclid_040722/Euclid_Auto32.jpeg
• https://www.eoportal.org/ftp/satellite-missions/e/Euclid_040722/Euclid_Auto30.jpeg
• https://sci.esa.int/documents/33220/35293/Euclid_Structural_and_thermal_model_21090918_1.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/04/euclid_departs_from_thales_alenia_space_s_plant_in_cannes2/24837904-2-eng-GB/Euclid_departs_from_Thales_Alenia_Space_s_plant_in_Cannes.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/09/ESA_Euclid_Primary_Mirror.jpg
• https://sci.esa.int/documents/33220/35293/Euclid_VIS_FM_FPA_acceptance_vibration_at_CSL_Liege_2k.jpg/3ec6b941-eabd-12b4-4282-2958df9b7356?version=1.0&t=1594219108651
• https://euclid.cnes.fr/sites/default/files/styles/large/public/drupal/201605/image/bpc_euclid-stm-nisp-ait.jpg
• https://assets.cdn.spaceflightnow.com/wp-content/uploads/2017/05/18191525/18519731_1441770469194630_1895412407554494738_n.jpg
• https://www.flickr.com/photos/spacex/52517919804/
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ee/Lagrange_points2.svg/1083px-Lagrange_points2.svg.png
• https://assets.cdn.spaceflightnow.com/wp-content/uploads/2017/10/24015503/Euclid_spacecraft_illustration_3_1280-678×381.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Francesco-Cacciatore-3/publication/260364041/figure/fig1/AS:297047291908126@1447833001426/EUCLID-reference-trajectory-about-Sun-Earth-L2.png
• https://www.eoportal.org/ftp/satellite-missions/e/Euclid_040722/Euclid_Auto32.jpeg