Gaia – 10 let v kosmickém prostoru

Právě dnes slaví evropská observatoř Gaia krásných deset let v kosmickém prostoru. Mezi lidmi bohužel není tato mise tak známá jako například Webbův dalekohled. Důvod musíme hledat v tom, že neposkytuje tolik krásných až dechberoucích fotografií nebeských objektů. Její význam je spíše v dlouhodobé vědecké činnosti, zaměřuje se totiž na astrometrii, tedy měření pozic a pohybů hvězd, ale i dalších objektů na noční obloze. Právě kvůli tomu, že Gaiu řada lidí nezná jsem ji chtěl dnes připomenout.

Hřmění divadla Sklep aneb vybli Bibli

Přemýšlel jsem ovšem, jak to udělat. V poslední době jsem totiž psal o této misi několikrát, a to v souvislosti s novými balíčky dat, popřípadě novými objevy. Nemyslím si tedy, že má valný smysl připomínat její historii, nedávné objevy, či katalogy, které vytvořila. Dnes se tedy na Gaiu podíváme trochu jinak. Zaměříme se právě na vědecké výsledky, ovšem pohledem kartografa, povíme si tudíž něco o celé řadě zajímavých map, které se podařilo díky datům získaným touto sondou vytvořit.

Jak říká jeden z protagonistů ve známé scénce Bible od pražského divadla Sklep, která je parodií na kritické pořady 90. let jako byla například Katovna, Jiří F. Burda: „Já bych k tomu ještě chtěl říct, jsou tam ty prázdné stránky a hned za tím, jestli se podíváte, je celá řada map. Přátelé, podívejme se na ty mapy a řekněte mně, jestli je možné podle této mapy se někam dostat?“ „Ne,“ odpovídá na to okamžitě Jiří Macháček. „No, na jedno místo možná,“ doplňuje Tomáš Hanák. Na což Burda reaguje: „O tom nebudu hovořit. Tady chybí prostě benzínová čerpadla, motoresty, tábořiště, přejezdy…“ „Prostě infrastruktura jako taková, zkrátka bedekr to není,“ dodává David Vávra.

Inu, totéž platí i pro mapy vytvořené sondou Gaia, někam byste se podle nich dostali jen velmi těžko a v podstatě vše, co nakladli členové divadla Sklep na Bibli, platí i pro mapy, kterými se budeme dnes zaobírat. Přesto se vás pokusím přesvědčit, že má smysl se těmito mapami zabývat, a že tyto mají svou značnou vědeckou hodnotu.

Celková mapa oblohy

Úplně základní mapou z mise Gaia je celkový pohled na oblohu, který jsme si už představovali i při jiných příležitostech. Tento snímek se zakládá na tom, co je hlavní náplní vědecké práce sondy, tedy astrometrii. Jinými slovy jde o to, že má Gaia mapovat pozice a pohyby hvězd na obloze. To dělal vcelku úspěšně už její předchůdce Hipparcos, ovšem Gaia je v tomto na úplně jiné úrovni. Největší katalog hvězd založený na práci observatoře Hipparcos obsahuje lehce přes milion hvězd. Gaia ovšem měla zmapovat rovnou miliardu hvězd, tedy tisíckrát více.

Dnes už si můžeme říci, že tento cíl beze zbytku splnil a dokonce překonala. Neboli, jak by řekli představitelé minulého režimu, plán splnila na více než sto procent. Zmapovaných hvězd už totiž dnes není miliarda, ale miliarda a osm set milionů k tomu, tedy téměř dvojnásobek původně předpokládaného množství. Současně je třeba říci, že ona miliarda měla představovat jedno procento všech hvězd v Mléčné dráze. V současnosti se ovšem hovoří o to, že hvězd v Galaxii možná není 100 miliard, ale třeba 200 miliard, zkrátka tuto hodnotu neznáme s úplnou jistotou. Je tedy možné, že Gaia splní jedno procento z celku až ve chvíli, kdy překoná dvě miliardy zmapovaných hvězd.

Ať tak či onak, známý snímek ukazuje mapu oblohy, jak ji vidí mise Gaia. Pokud vidíte na mapě světlé tečky, vidíte správně a ne, nejedná se o chybu. Ve skutečnosti jde právě o hvězdy, které sonda viděla. Celkově jich je 1,7 miliardy, mapa totiž nepochází z nejnovějšího balíčku dat, takže nezahrnuje všechny dnes již pozorované objekty. Přesto je mimořádně působivá. Nejen, že je množství pozorovaných hvězd mnohem vyšší, než u mise Hipparcos, ale i přesnost pozorování předchozí astrometrickou misi výrazně překonává. Zvláště u jasnějších hvězd je přesnost určení pozic ohromující a je přirovnatelná pozorování korunové mince umístěné na Měsíci z povrchu Země.

Kromě jednotlivých hvězd vidíme na mapě i některé další zajímavé úkazy. Tak například uprostřed vidíme, jak se zleva doprava táhne pás Mléčné dráhy, tedy galaktická rovina, která má v průměru 87 000 světelných let a na šířku (nebo chcete-li výšku) asi 1 000 světelných let. Uprostřed vidíme galaktickou výduť, která se rozkládá v bezprostředním okolí jádra, do vzdálenosti několika tisíc světelných let. Jde o husté centrální seskupení hvězd, které se vyskytuje u většiny spirálních galaxií. Na hranici výdutě obvykle končí spirální ramena a výduť také zasahuje i pod a nad běžný galaktický disk.

Samotné jádro bychom pak našli zcela ve středu obrázku, tam kde vidíme nejjasnější žluté světlo. Ovšem střed Galaxie vidět v reálu nemůžeme, jelikož supermasivní černá díra Sagittariua A* v samotném srdci Galaxie je pro Gaiu neviditelná. Podobně jako další černé díry totiž nevyzařuje elektromagnetické záření a nemá ani výrazný akreční disk, který by její zpřístupnil alespoň její bezprostřední okolí.

V galaktickém disku a místy i nad ním a pod ním si můžeme všimnout i tmavých struktur. Jde o kosmický prach (viz níže), který nám některé oblasti Mléčné dráhy stíní a který je velmi důležitý pro tvorbu nových hvězd. Povšimnout si můžete také několika světlých teček, jež jsou jasnější než obyčejné hvězdy. Je to proto, že nejde o hvězdy, nýbrž o kulové hvězdokupy, kulovitá masivní seskupení hvězd, která se vyskytují spíše na periferii galaxií.

Vpravo jen trochu nad galaktickou rovinou, kousek od centrální výduti je nejjasnější z těchto kulových hvězdokup – Omega Centauri. Přibližně pod ní, ale naopak v oblasti pod galaktickou rovinou vidíme dva velmi jasné a velké objekty. Jedná se o Megallenova mračna, Velké a Malé. Jsou to dvě satelitní trpasličí galaxie Mléčné dráhy, které jsou ovšem velmi jasné, protože leží dosti blízko k nám. Pokud budete na jižní polokouli, dají se velmi snadno pozorovat i pouhým okem. Naopak vlevo pod galaktickou rovinou spíše tušíme další blízké galaxie, M31 a M33. Gaia nám tak na této mapě ukazuje nezvykle komplexní pohled na Mléčnou dráhu a její blízké okolí.

Galaxie a hvězdokupy

Poměrně zajímavá je i tato starší mapa z počátku fungování observatoře Gaia. Obsahuje sice ještě některé vady a není tak přesná, jako pozdější výsledky, přesto nám i ona ukazuje leccos zajímavého. V tomto případě se díky práci sondy můžeme podívat na otevřené (popsány žlutě) a kulové hvězdokupy (popsány bíle), jakož i na vzdálené galaxie (popsány modře).

O kulových hvězdokupách i otevřených hvězdokupách jsme hovořili před chvílí. Nemá smysl se příliš opakovat, řekněme si snad jen to, že v případě otevřených hvězdokup vidíme na mapě jen několik nejjasnějších dobře viditelných zástupců, ve skutečnosti je jich v Mléčné dráze ale mnohem více. A zastoupeny nejsou ani všechny kulové hvězdokupy. Při podrobnějším zamyšlení je to vcelku snadno pochopitelné, Mléčná dráha je spirální galaxie s příčkou o průměru asi 87 000 světelných let a tloušťce galaktické roviny asi 1 000 světelných let, podobných objektů je zde tedy podstatně vyšší množství.

Otevřené hvězdokupy se, jakožto mladá seskupení hvězd, nacházejí převážně v galaktické roviny nebo těsně kolem ní. Naopak kulové hvězdokupy najdeme převážně v galaktickém halu, což je oblast, která obklopuje hlavní spirální část galaxie. Je tvořeno hlavně temnou hmotou, plynem a hvězdami. Ty se zde často vyskytují právě v kulových hvězdokupách. Vzhledem k tomu, že se nachází v galaktickém halu jsou proto běžné kulové hvězdokupy poměrně dosti vzdáleny jak od Slunce, tak od jádra Galaxie.

Na mapě ovšem vidíme i celou řadu vzdálených galaxií. Už v článku o historii kosmologie jsme si říkali, že není tak dávno doba, kdy si lidé mysleli, že Mléčná dráha je jedinou galaxií ve vesmíru. Od té doby se situace ovšem razantně změnila a dnes již známe desítky milionů cizích galaxií různých tvarů i velikostí. My na obrázku vidíme převážně bližší galaxie. Pod rovinou galaktického disku kousek vpravo od galaktické výdutě vidíme dvojici blízkých jasných satelitních galaxií – Velký (v souhvězdích Tabulové hory a Mečouna) a Malý (v souhvězdí Tukana) Magellanův oblak.

Naopak vlevo dole lze spatřit dvojici největších spirálních galaxií v Místní skupině (nepočítáme-li Mléčnou dráhu) – M33 v Trojúhelníku a M31 v Andromedě. M33 je vůbec nejbližší cizí spirální galaxie, M31 je o něco málo dále, zato jde však zřejmě o vůbec největšího člena Místní skupiny galaxií. Někdy se jí říká též Velká galaxie v Andromedě, či Velká mlhovina v Andromedě. To vychází z faktu, že se spirální galaxie dříve, když nebyla známa jejich skutečná povaha označovaly jako spirální mlhoviny. M31 i M33 jsou za dobrých podmínek viditelné i pouhým okem.

Úplně nahoře kousek vlevo od středu mapy potom vidíme třeba dvě známé spirální galaxie M51 (Vírová galaxie) a M101 (galaxie Větrník), které leží v souhvězdí Honicích psů, respektive Velké medvědice. Kousek vpravo od středu a nahoře nad galaktickou výdutí je pak galaxie M83 Jižní větrník v souhvězdí Hydry. Všechny tři známe z obrázků Hubbleova či Webbova dalekohledu. M51 si pak získala pozornost také jako domov první možná objevené exoplanety mimo Mléčnou dráhu.

Na mapě jsou rovněž patrné tmavé zakřivené pruhy. Ty ovšem nejsou astronomického původu, jedná se o artefakt, který vzniká při pozorování sondy, tak jak postupně skenuje oblohu. Natolik patrné jsou zde tyto artefakty proto, že je to mapa založená na pozorování z prvních měsíců vědecké činnosti mise, později, jak měla Gaia více času prohlédnout pořádně celou oblohu, došlo ke zmizení artefaktů.

Galaxie v pohybu a Gaia Enceladus

Sonda Gaia pořídila i další mapu, která zobrazuje nejvýraznější kulové hvězdokupy a satelitní trpasličí galaxie Mléčné dráhy. Jak víme, kulové hvězdokupy jsou velmi staré objekty, možná dokonce starší než samotná Galaxie, vyskytující se převážně v galaktickém halu, zatímco satelitní galaxie jsou vzdálenější sousedé Mléčné dráhy, kterou obíhají a interagují s ní.

Že tu takový snímek už byl, říkáte? Ano i ne. Tento je přece jen něčím výjimečný. Gaia zde kromě současných pozic kulových hvězdokup (modře) a trpasličích galaxií (červeně) zachytila i jejich pohyb. Jeho rychlost a směr ukazují ony křivky táhnoucí se za danými objekty. Sonda nám tak ukazuje po jakých drahách obíhají kulové hvězdokupy, respektive satelitní galaxie Mléčnou dráhu. Vidíme tak například shodný směr i rychlost pohybu u obou Magellanových oblaků, které spolu interagují a putují vesmírem společně. Podobný jev vidíme i u galaxií Ursa Minor a Draco nebo kulových hvězdokup NGC 5053 a NGC 5024.

Pomocí sotva viditelné satelitní galaxie Leo I vzdálené 840 000 světelných let určili astronomové spodní limit hmotnosti Mléčné dráhy na 10¹² bilionu hmot Slunce. To je v souladu s dřívějšími odhady a prokazuje to, že se v Galaxii nachází asi dvacetkrát více hmoty, než bychom si mohli myslet kdybychom započítali pouze hvězdy, plyn a prach. Máme zde tedy další důkaz pro přítomnost záhadné temné hmoty.

Ale to není ještě všechno. Díky observatoři Gaia dokázali astronomové odhalit i něco o současných a budoucích srážkách Mléčné dráhy se satelitními galaxiemi. Ve druhém balíčku dat vyšlo najevo, že odborníci spatřili v datech sondy zvláštní hvězdy, které se pohybují po protáhlých drahách kolem centra Galaxie v opačném směru než další desítky miliard obyčejných hvězd. Navíc mají oproti běžným hvězdám Mléčné dráhy také výrazně jiné chemické složení.

Z toho vyplývá, že tyto hvězdy nepochází původně z Mléčné dráhy, ale z jedné ze satelitních galaxií, která s tou naší splynula v rané fázi jejího vývoje, někdy před zhruba 10 miliardami let. Tuto galaxii pojmenovali jako Gaia-Enceladus. Přiložená mapa ukazuje rozložení hvězd, které z této galaxie pocházejí. Fialově jsou ukázány nejbližší hvězdy, žlutě nejvzdálenější. Bílá kolečka ukazují kulové hvězdokupy s obdobnými drahami, což naznačuje, že také pocházejí z galaxie Gaia-Enceladus, azurové hvězdičky pak proměnné hvězdy, které v ní mají svůj původ.

Zajímavá jsou i Magellanova mračna. Ta kolem naší Galaxie obíhají, ovšem proces spojování již započal. V důsledku interakce Mléčné dráhy a Magellanových oblaků se za oběma menšími galaxiemi táhne proud plynu známý jako Magellanův proud, který již nyní zřejmě interaguje s Mléčnou dráhou. Tak se to alespoň jeví po nedávném objevu otevřené hvězdokupy Price-Whelan 1, která je dosti zvláštní. Oč jde?

Hvězdokupa Price-Whelan 1 totiž svým chemickým složením neodpovídá běžným objektům Mléčné dráhy, ale právě naopak, dle analýzy 27 nejjasnějších hvězd, se metalicita kupy velmi dobře shoduje s metalicitou Magellanova proudu. Naše hvězdokupa tak pravděpodobně vznikla z materiálu, který Mléčná dráha vyrvala dvěma blízkým sousedním galaxiím. Navíc se ukazuje, že Magellanův proud je k nám výrazně blíže, než jsme si dříve mysleli.

Hustota hvězd

V mnoha článcích jsme si již říkali, že ve vesmíru není všude stejné množství hmoty. To je pochopitelné, jinak by totiž neexistovaly jakékoliv složité struktury a tedy ani my. V průměru je sice v krychlovém kilometru určitý počet atomů, ale jak víme, někde je extrémně vysoká koncentrace hmoty (například v oblastech kup galaxií), naopak jinde pozorujeme obrovské oblasti téměř úplně prázdného prostoru.

Nemělo by nás proto překvapit, že něco podobného sledujeme i na úrovni jednotlivých galaxií. Ani zde není hmota rozloženě rovnoměrně a v určitých oblastech lze tedy najít výrazně vyšší koncentrace hmoty, než v oblastech jiných. Pro naši Galaxii provedla takové měření právě mise Gaia. Na přiložené mapě vidíme výsledek. Čím světlejší barva, tím vyšší hustota hmoty v dané oblasti, tedy bílá ukazuje nejvíce husté oblasti, naopak tmavě šedá a černá místa s nejnižší hustotou.

Jak sami můžeme vidět, nejvíce hustá oblast je centrální galaktická výduť, nacházející se kolem galaktického jádra. V této oblasti, kterou na obrázku vidíme v samotném středu, se objevuje mnohem vyšší koncentrace hvězd i dalších objektů, než na periferii galaxie. Spirální ramena, jako je i naše rameno Orionu (patří mezi menší spirální ramena) se řadí ještě mezi ty více husté oblasti, v galaxii ovšem existují i prostory mezi rameny, v nichž je koncentrace objektů, plynu a prachu nižší.

Na mapě je také dobře patrná rovina galaktického disku, která se táhne zleva doprava uprostřed mapy, od méně jasných a tedy i méně hustých okrajových částí, až po střed Galaxie, který se nachází v souhvězdí Střelce. Přímo v samém srdci Mléčné dráhy je pak supermasivní černá díra Sagittarius A*, která je ovšem pro Gaiu neviditelná. Co naopak Gaia vidět dokáže jsou různé okolní galaxie, na obrázku jsou dobře patrny Magellanovy oblaky a vzdálenější M33 a M31, či různé menší kulové hvězdokupy, které zde vypadají jako velmi jasné hvězdy.

Pohyby hvězd

V Galaxii se nachází nějakých 200 miliard hvězd. Z nich vcelku logicky známe jenom velmi malý zlomek. Dokonce i Gaia, jak jsme si už řekli, dokáže zmapovat zhruba jedno procento z celkového počtu. Detailnější informace pak máme o ještě daleko nižším počtu relativně blízkých hvězd, z nichž opět jen u části se provádí vědecký výzkum. Běžným lidem je pak známo jen několik desítek opravdu velmi jasných či blízkých (v mnoha případech obojí současně) hvězd.

Právě i na tuto kategorii objektů se Gaia zaměřila. Bez zajímavosti není fakt, že se astronomové původně domnívali, že několik desítek nejjasnějších hvězd nebude moci Gaia vůbec pozorovat. Nakonec však Gaia překvapila a nyní s ní odborníci mohou sledovat i velmi jasné hvězdy, které vykazují zdánlivou magnitudu vyšší než 3. Tato pozorování sice probíhají ve speciálním režimu, ale Gaia je dokáže pořídit. A to je nejen zajímavé, ale i důležité pro celkovou statistiku.

Na přiložené mapě vidíme pozorování mise Gaia, které se specializovalo na hvězdy, jež k nám leží blíže než 100 parseků (326 světelných let). Těch je zhruba 40 000. To se může zdát jako hodně, ale nezapomeňme, že v celé Galaxii je hvězd o mnoho řádů více. Pokud se divíte, že jsou na obrázku vidět protáhlé čáry, nebojte se, nejedná se o chyby měření, ba ani zpracování. Tyto čáry ukazují to, jak oněch 40 000 blízkých hvězd bude pohybovat po obloze v příštích 400 000 letech.

400 000 roků je pro většinu lidí asi nepředstavitelně dlouhá doba, z hlediska kosmického jde naopak o kratičký okamžik. Jen pro srovnání. Před 400 000 roky nebylo po anatomicky moderním člověku ani památky, zástupci rodu homo už ovšem prosperovali, mimo jiné třeba homo erectus, homo neanderthalensis či homo heidelbergensis. 400 000 světelných let jsou pak vzdáleny některé satelitní galaxie Mléčné dráhy, kupříkladu známá nepravidelná trpasličí galaxie Antlia 2 od nás leží 430 000 světelných let. Proslavila se zejména tím, že je velká téměř stejně jako Velký Magellanův oblak, ale mnohem méně jasná. Plošná jasnost je u ní nejnižší ze všech známých galaxií.

Ale zpět k blízkým hvězdám. Dávní astronomové hvězdy nazvali stálice, protože se jim zdálo, že jsou neměnné. Z perspektivy krátkého lidského života se to může takto jevit. Tato mapa sondy Gaia nám však ukazuje, že z dlouhodobého hlediska je tomu úplně jinak. Hvězdy se nejen vyvíjejí, ale i výrazným způsobem mění své pozice na obloze. Za oněch 400 000 let byste zřejmě žádné z dnes známých souhvězdí ani vzdáleně nepoznali.

Také nejjasnější hvězdy budou úplně jiné, neboť některé dnes jasné hvězdy se od Země velmi vzdálí, naopak jiné se výrazně přiblíží. Pro zajímavost, za 400 000 roků bude podle současných simulací nejjasnější hvězdou oblohy Vega, která bude nejjasnější hvězdou od období plus 210 000 let po 480 000 let po dnešku. Její předchůdce je současná nejjasnější hvězda Sirius, následovat ji bude Canopus. Všechny tři ovšem už dnes patří mezi pětici nejjasnějších hvězd oblohy. Obdobně by šlo najít i to, která hvězda bude za 400 000 let k Zemi nejblíže.

Výše uvedená mapa je výsledkem mnoha let pozorování a opravuje předchozí mapu z druhého balíčku dat. Nová verze ze třetího vědeckého balíčku ukazuje přesnější výsledky, neboť logicky staví na delším pozorovacím oknu. Navíc pohyby většiny hvězd mohla Gaia za tu dobu proměřit vícekrát. Kromě drah hvězd už toho tato mapa ukazuje jen dosti málo. Konkrétně úplně uprostřed vidíme galaktické jádro a nejvýraznější část disku.

Mladé skupiny hvězd

Gaia ukázala také obrázek velmi podobný některým předchozím, kupříkladu celkovému pohledu na noční oblohu nebo hustotní mapě. Zde se ovšem soustředila především na velmi mladé hvězdy přesněji spíše skupiny hvězd. Hvězdy totiž nevznikají z mlhovin mezihvězdného plynu a prachu samy, ale téměř vždy se rodí ve skupinách. Takovýmto seskupením říkáme otevřené hvězdokupy.

Tento název může být trochu matoucí, neboť existují také tzv. kulové hvězdokupy, seskupení stovek tisíců až milionů hvězd, které patří mezi nejstarší objekty ve vesmíru a hvězdy v nich obsažené dosahují mnohdy stáří kolem 12-13 miliard let. Naproti tomu otevřené hvězdokupy jsou velmi mladá seskupení „pouhých“ vyšších desítek nebo nižších stovek hvězd, které se společně zrodily, opustily rodnou hroudu a nyní putují prostorem.

Společný název hvězdokupa zvolily astronomové proto, že jde v obou případech o uskupení hvězd. Přídomek kulová odkazuje na kulový tvar, zatímco přídomek otevřená poukazuje jednak na méně pravidelný tvar, jednak na to, že tyto objekty nejsou dlouhodobě stabilní a gravitačně vázané. Otevřené hvězdokupy mají jen poměrně krátkou životnost v řádu desítek či nižších stovek milionů let, po čase se ovšem jejich hvězdy rozptýlí po celé galaxii.

Také naše Slunce se v podobné hvězdokupě zrodilo. Najít bratry či sestry naší hvězdy je však se současnými prostředky v podstatě nemožné. Sourozenecké hvězdy mohou být kdekoliv v Mléčné dráze, v jiných spirálních ramenech, blíže i dále od jádra nebo třeba na úplně opačné straně Galaxie. Na toto rozptýlení mely totiž dostatek času, více než 4,6 miliardy roků.

Proto musíme otevřené hvězdokupy studovat na příkladu vzdálených objektů na noční obloze. Známé otevřené hvězdokupy jsou třeba Hyády a Plejády v souhvězdí Býka. Součástí staré a už částečně rozptýlené otevřené hvězdokupy jsou i téměř všechny hvězdy známého asterismu Velký vůz. A několik otevřených hvězdokup najdeme třeba i ve známém souhvězdí Oriona, kde se nachází významné hvězdotvorné oblasti.

Mapa pořízená sondou Gaia nám ukazuje vcelku klasický obrázek naší Galaxie, uprostřed vidíme pás Mléčné dráhy s jádrem a galaktickou výdutí ve středu snímku. Opět lze spatřit různé galaktické struktury, popřípadě některé ze sousedních galaxií. Nicméně si zde můžeme všimnout něčeho nového a to jsou oranžově označené regiony.

Takto je ovšem Gaia neviděla, oranžovou barvu přidali až vědci, aby zvýraznili regiony, v nichž se nachází rodiny a skupiny hvězd mladší, než 30 milionů let. Z toho co jsme si říkali výše je patrné, že tyto skupiny se ještě nestihly rozpadnout a pohybují se tedy v galaxii prozatím společně. Povšimnout si můžete, že zvláště některé, i dosti velké, oblasti v Mléčné dráze jsou na mladá seskupení hvězd nesmírně bohaté.

Vesmírný prach

Jednou z hlavních složek Galaxie je prach. Jak ostatně říkají v seriálu Červený trpaslík, v dílu Trosečníci, kdy posádka musí opustit mateřskou loď obklopenou pěti černými dírami. Nakonec se však ukáže, že nešlo o černé díry. Rimmer se palubního počítače Holly ptá o co tedy šlo. Holly odpovídá: “Prach. Pět oblaků hvězdného prachu na scanneru. Víte problém prachu je, že je černý, zatímco problém scanneru je, že…“ „Raději už sklapni,“ radí jí Rimmer.

Ano, vesmírný prach je tmavý. Přesto ho dokážeme velmi dobře pozorovat. Teď si možná říkáte, že pozorovat něco jako prach musí být úplně zbytečnou ztrátou času. Nicméně opak je pravda. Kosmický prach je velmi důležitý, například kvůli našemu povědomí o rozložení hmoty v Galaxii a znalosti procentuálního zastoupení jednotlivých komponent.

Avšak ještě důležitější je skutečnost, že z mezihvězdného prachu mohou vznikat mlhoviny, v nichž potom dochází k bouřlivé tvorbě hvězd. Právě díky prachu se tak rodí nové hvězdy, podobně jako tomu bylo kdysi dávno u našeho Slunce. A pochopitelně pak z prachu u mladých hvězd vznikají planety. Jako tomu bylo například u Země a dalších planet Sluneční soustavy. Takže naše hlubší znalost kosmického prachu nám v konečném důsledku může pomoci pochopit vývoj Země a života na ní.

Bádání v oblasti vesmírného prachu tedy také patří mezi zájmy astronomů stojících za misí Gaia. Nový balíček dat v roce 2022 přinesl též krásnou mapu kosmického prachu nacházejícího se v Mléčné dráze. Modrá zde reprezentuje nejnižší koncentrace prachu, žlutá vyšší a tmavě hnědá až černá nejvyšší. Sami vidíte, že nad a pod galaktickou rovinou se prach až na výjimky téměř nevyskytuje, jednoznačně tu převažuje tmavě modrá barva. Naopak v galaktické rovině a zejména ve středu snímku a tedy v blízkosti jádra Galaxie vidíme velké oblasti s převažující vysokou koncentrací prachu. V napozorovaných datech vědci dokáží rozeznat například i stopy dávných sloučení s cizími galaxiemi, výbuchy supernov či nově zrozené hvězdy.

Na druhé mapě potom vidíme ten stejný obrázek, ovšem s tím, že ty nejvýraznější oblasti s nejvyššími koncentracemi prachu jsou zvýrazněny žlutým rámečkem a pojmenovány. Jde o známé hvězdotvorné regiony a o některých jsme zde již v minulosti hovořili. Například těsně pod galaktickou rovinou zcela vpravo vidíme oblast Oriona, kde se nachází mimo jiné Velká mlhovina v Orionu, mlhovina Koňská hlava a další oblasti tvorby nových hvězd. Ve středu snímku u galaktického jádra pak vidíme oblast Hadonoše a Vlka, ale všimnout si lze i řady dalších. Na další mapě ještě vidíme tyto nejvýraznější hvězdotvorné regiony významně přiblížené.

Mapa chemická

H₂SO₅, to je anekdota chemická Járy Cimrmana. Smích lze pozorovat jen na určitých místech, neboť chemikové vědí, že by síra v této sloučenině musela být osmimocná, což je pro chemika něco strašně komického. My dnes už sice víme, že tato sloučenina skutečně existuje, je jí kyselina peroxosírová, ale proč si tím kazit Cimrmanovu krásnou anekdotu.

My se teď však podíváme nikoliv na anekdotu chemickou, nýbrž na mapu chemickou. Chemismus objektů v Galaxii je totiž velmi důležitý. Jak víme z minulých článků, Velký třesk vytvořil jen vodík a helium, plus nepatrné množství lithia a beryllia. Všechny ostatní prvky, včetně většiny lithia i beryllia vznikly až výrazně později ve hvězdách a dalšími fyzikálními mechanismy. První hvězdy tak obsahovaly v podstatě výhradně vodík a helium, které mají v astronomii specifické postavení. 99 % atomů v kosmu jsou totiž i dnes pouze tyto dva prvky.

Všechny prvky těžší než helium proto nazývají astronomové jako kovy a obsahtěchto prvků ve hvězdách či jiných objektech se pak označuje jako metalicita. Pokud tedy hovoříme o kovech, je nutné vědět, zda se bavíme s chemikem či astronomem. Také toto téma se dostalo mezi výzkumné zájmy mise Gaia, díky tomu totiž můžeme říci mnohem více o původu hvězd.

Přiložená mapa je už na první pohled výrazně jiná, než předchozí. Obsahuje tečky různé barvy od modré, přes žlutou, až po červenou. Modrá ukazuje nejvyšší zastoupení vodíku a helia, červená naopak hvězdy nejbohatší na kovy. Povšimněte si, že ve zdánlivě náhodném rozložen lze přece vystopovat nějaké struktury. Vidíme totiž, že se hvězdy bohaté na kovy koncentrují zejména v rovině galaktického disku a také poblíž jádra Mléčné dráhy, které jsou díky tomu na této mapě snadno rozpoznatelné.

Proč tomu tak je? Inu, jak jsme si řekli, v rovině galaktického disku a zejména poblíž jádra je nejvyšší hustota hvězd a vyskytuje se zde nejvíce hvězdotvorných oblastí. Z toho důvodu zde probíhá poměrně bouřlivá tvorba hvězd, vznikají další a další mladé hvězdy a naopak ty starší vybuchují a rozsévají do okolí těžší prvky. Díky nim pak vznikají další hvězdy, které jsou stále bohatší a bohatší na kovy. Není proto divu, že se tyto na kovy bohaté hvězdy koncentrují právě zde.

Naopak starší hvězdy, v jejichž spektru najdeme jen nesmírně málo prvků mimo vodíku a helia se více soustředí dále od jádra Galaxie a dále od její roviny, v galaktickém halu. Ostatně, právě zde se nejvíce vyskytují třeba kulové hvězdokupy, tvořené převážně právě velmi starými generacemi hvězd. Díky výzkumu chemismu se dokonce podařilo astronomům identifikovat hvězdy, které původně pocházely z cizích galaxií.

Stáří hvězd

S chemismem úzce souvisí také další téma a to je stáří hvězd v Galaxii. Jde o extrémně důležitou problematiku, neboť díky stanovení věku jednotlivých hvězd můžeme povědět více o formování Galaxie samotné. Navíc, pokud jste četli pozorně moje dřívější články, víte, že se v minulosti již několikrát objevil problém, kdy se zdálo, že jsou v Mléčné dráze přítomné hvězdy starší, než samotný vesmír. To je pochopitelně nesmysl a vyvolalo to mezi kosmology nepříjemné pnutí. Až dosud se však vždy podařilo tento rozpor poměrně brzy po jeho objevení vyřešit.

Nyní se nezdá, že by se měla tato obtíž vyloupnout znovu, přesto je nutné zdůraznit, že v Galaxii a satelitních kulových hvězdokupách existují extrémně staré hvězdy, jejichž věk se blíží věku kosmu samotného. Nicméně zatímco u určení stáří vesmíru z misí WMAP a Planck disponujeme velmi přesnými hodnotami s chybou v řádu nižších desítek milionů let, v případě stanovení věku těchto velmi starých hvězd se nám chyba měření pohybuje až kolem plus minus jedné miliardy let, což je velmi nepříjemné.

Gaia by ovšem mohla tento problém pomoci částečně odstranit. Díky ní bychom měli mít možnost výrazně zpřesnit určení stáří alespoň některých hvězd. Gaia totiž umí precizně naměřit právě chemické složení, teplotu nebo hmotnost jednotlivých těles. A všechny tyto parametry nám s úkolem přesnějšího odhadu věku hvězd velmi pomohou. Jestliže budeme znát věk některých hvězd s jen relativně malou chybou, pomůže to poté v odhadu věku i dalších, hůře proměřených hvězd, u nichž budeme mít lepší srovnání s etalony z mise Gaia.

To nám pak dovolí stanovit věk hvězd nikoliv s chybou plus minus miliardy let, ale třeba jen sto milionů let. Mohlo by se zdát, že si v tomto případě zase tolik nepomůžeme, ale ve skutečnosti jde o desetinásobné zlepšení a zlaté pravidlo vědy nám říká, že zvýšíme-li někde přesnost desetkrát následují významné a do té doby netušené nové objevy. A přesně to by zde mohlo nastat. Vylepšení v oblasti určování stáří hvězd jsou velmi podstatná pro kosmology a astrofyziky, kteří díky tomu budou moci zpracovat přesnější modely, které jim pak mohou pomoci i v jiných, zdánlivě třeba nesouvisejících oblastech.

Na mapě výše vidíme opět množství barevných teček, nikoliv však v řádu miliard, neboť pro tuto mapu vědci náhodně vybrali deset milionů zástupců hvězd. Červeně jsou zobrazeny staré hvězdy s věkem mezi zhruba osmi až dvanácti miliardami let, modře naopak hvězdy mladé, jejichž stáří se pohybuje v řádu milionů nebo maximálně nižších jednotek miliard let. V určitých oblastech se rozložení starších a mladších hvězd může zdát v podstatě náhodné, ovšem povšimněte si prosím, že v oblasti galaktického disku, výdutě a jádra samotného výrazně převyšují mladší hvězdy. Dokonce tak výrazně, že červené tečky starších hvězd se zde téměř nevyskytují. Navíc zde i převažuje tmavší modrá, která značí věk při dolním rozmezí výše uvedených hodnot a tedy převážně skutečně velmi mladé hvězdy. A není divu, vzhledem k tomu, co jsme si řekli o bouřlivém prostředí galaktického disku a jádra a  tomu, jak rychlým tempem zde vznikají nové hvězdy a ty staré naopak zanikají.

Proměnné hvězdy

Nejnovější mapa zveřejněná teprve letos na podzim se týká proměnných hvězd. Jedná se o hvězdy, které periodicky či kvaziperiodicky mění svoji jasnost. Takových známe celou řadu, slavným příkladem je Algol ze souhvězdí Persea, jehož změny jasu lze pozorovat i pouhým okem. Ostatně, na proměnnost odkazuje i název vycházející z arabského Rás al Ghúl, což by se dalo přeložit jako Hlava démona. Další velmi známou proměnnou hvězdou je pak Delta Cephei, která je typickým příkladem proměnných hvězd typu cefeidy. Ty výrazně pomohly kosmologům v určování vzdáleností ve vesmíru.

Pokud byste si ovšem mysleli, že je za proměnnost u všech hvězd zodpovědný jediný mechanismus, mýlili byste se. Proměnnost v zásadě dělíme na dva základní typy. Za prvé může být za změny odpovědná samotná hvězda, ať už je to kvůli pulsaci nebo třeba kvůli erupcím, za druhé mohou změny způsobovat vnější vlivy, například pravidelný zákryt hvězdným souputníkem. Oba hlavní typy se potom dělí na celou paletu podtypů. Známe tak hvězdy typu UV Ceti, RR Lyrae, Delta Scuti, Delta Cephei a mnoho dalších.

Někdy se dokonce uvádí, že vlastně každá hvězda je v principu proměnná, neboť všechny hvězdy mění svou jasnost. Je pochopitelně otázka o kolik se tato jasnost mění a, zda je to periodicky či alespoň kvaziperiodicky. Pokud bychom ovšem uvažovali velmi jemné změny na obrovských časových škálách, lze toto tvrzení připustit. Běžně se ovšem uvádí proměnnost u asi 10 % hvězd, toto číslo se však může lišit, právě v závislosti na tom, jak kvalitní máme k dispozici měřící přístroje. Astronomové obvykle uznávají proměnnost u hvězd, kde dochází ke změně alespoň o tisícinu magnitudy na časové škále maximálně stovek let.

Proměnné hvězdy jsou jedním z evergreenů astronomie, existuje celá řada projektů a programů (i částečně či zcela amatérských), jež jsou na toto téma zaměřené. Není proto divu, že vědci využili k výzkumu též observatoř Gaia. Výsledkem je zajímavá mapa, která obsahuje celou řadu různě velkých a různě barevných koleček. Každé z nich reprezentuje jednu z proměnných hvězd. Přičemž se nám zde objevují tři základní barvy – červená, modrá a zelená.

Červená odpovídá objektům, kde je za proměnnost zodpovědná sama hvězda, modrá objektům, u nichž způsobuje proměnnost vnější vliv a zelená potom speciálním dlouhoperiodickým proměnným hvězdám u nichž není mechanismus způsobující proměnnost dosud zcela uspokojivě vysvětlen. Někdy se však hovoří o hustých oblacích prachu, které dané hvězdy obíhají a tím způsobují periodické, avšak pomalé, změny jasu.

A proč mají kolečka různou velikost a různý odstín dané barvy? Čím větší a tmavší je kolečko, tím k větším změnám dochází v průběhu cyklu. Jde kupříkladu o změny rychlosti, konkrétně radiální rychlosti, tedy ve směru od nás či k nám. U vnitřně proměnných hvězd tedy třeba to, jak rychle se od nás povrch hvězdy vzdaluje nebo jak rychle se naopak přibližuje. V případě proměnnosti vlivem vnějších faktorů pak zase například to, jak se dvě hvězdy systému pohybují kolem společného těžiště. V případě proměnných nedosahuje radiální rychlost obvykle nijak závratných hodnot. Gaia je ale natolik citlivá, že umí měřit i velmi jemné změny.

Paralaxy hvězd

Už jsme se zde zmínili o proměnných hvězdách typu cefeid, které nám umožňují měřit vzdálenosti ve vesmíru. Ve skutečnosti se ovšem používají až na větší vzdálenosti, řádově milionů světelných let. V naší Galaxii měříme vzdálenosti jinak. Jak? Předpokládejme, že se díváte na nějaký objekt okem. Světlo z předmětu přijde do jednoho oka pod trochu jiným úhlem než do oka druhého. Což si můžete vyzkoušet na vašich prstech. Pokud natáhnete ruku, zavřete oko a podíváte se na váš ukazovák a pak zavřete druhé oko a znovu se podíváte na ukazovák, všimnete si, že se v horizontálním směru posunul. Lidský mozek díky tomu umí rozeznat co je blíže a co je dále.

Stejný postup se využívá i v astronomii. Protože jsou však objekty, které nás zajímají mnohem dále, musí být výrazně větší i rozměr pozorování. Nestačí nám tak pravé a levé oko, ale pro planety či nejbližší hvězdy třeba průměr Země. Podíváme-li se na nějaký objekt z jižního pólu a poté z pólu severního, můžeme si povšimnout, že se na obloze posunul. Mnohdy však ani to nestačí. Gaia proto jako základu využívá celou oběžnou dráhu Země. Stejné objekty proto pozoruje (dejme tomu) v periheliu a aféliu, rozdíl je tak celých 300 000 000 kilometrů. Díky tomu dokáže změřit na obloze i velmi malé posuny pozic vzdálených hvězd mezi krajními polohami. Této technice říkáme měření paralaxy.

Využívat ji uměli již antičtí astronomové, ovšem více se pochopitelně rozšířila až mnohem později. Měření paralaxy mnoha milionů hvězd bylo jedním z hlavních cílů mise Gaia. A už nyní se ukazuje, že jej zvládla na výbornou. Díky této sondě jsme si upřesnili vzdálenosti k mnoha nebeským objektům v naší Galaxii. Umíme tak nejen mnohem lépe určit vzdálenost měřených hvězd, ale i spolehlivěji odhadnout vzdálenost hvězd ostatních. To není důležité pouze pro astronomy zabývající se Mléčnou dráhou, ale i pro kosmology, kteří chtějí měřit vzdálenosti v kosmu. Gaia jim sice nepomůže přímo, avšak nepřímá pomoc je značná, tzv. kosmický žebřík (to jak na sebe jednotlivá pozorování různých objektů navazují) se díky ní stává mnohem stabilnějším.

Mapa paralax zveřejněná v rámci druhého vědeckého balíčku ukazuje na pozadí galaktické roviny a jádra velké množství paralax vzdálených hvězd. Jedná se o ty kružnice a další křivky, které vidíme skrze celou noční oblohu. Ovšem pozor! K takto velkým změnám pozic na obloze pochopitelně nedochází. Kdyby mapa ukazovala skutečné variace poloh hvězd, neviděli bychom na ní vůbec nic. Astronomové proto paralaxy a vlastní pohyby hvězd kvůli názornosti zvětšili 100 000 krát. Ano, tak malé změny dokáže Gaia opravdu zaznamenat.

Planetky

Prozatím všechny zmíněné mapy se týkaly vzdálenějšího vesmíru. Gaia je ovšem užitečná i při výzkumu našeho bezprostředního okolí. Astronomové ji totiž používají mimo jiné rovněž k průzkumu planetek. Těch prozatím napozorovala 156 000, u většiny navíc velmi přesně určila oběžné dráhy kolem Slunce. A celá řada z těchto pozorovaných planetek je úplně nových, až dosud je nikdo nikdy neviděl. Gaia tedy disponuje též potenciálem odhalit více o vývoji naší Sluneční soustavy, jakož i potenciálně nás ochránit před rizikovými tělesy, která by mohla k Zemi nečekaně přiletět a srazit se s ní. Většina velkých planetek je sice už objevena, ale Gaia pomáhá velmi dobře zaplnit mezery.

V minulých článcích jsme si ukazovali obrázky, na nichž jsou vynesené trajektorie všech Gaiou pozorovaných planetek. V rámci druhého vědeckého balíčku dat ovšem došlo i ke zveřejnění pěkné mapy, jež nám ukazuje jak jsou planety ve Sluneční soustavě rozloženy. Všimněte si, že naprostá většina se jich drží v úzkém pásu vinoucím se nejprve od středu nahoru, poté k centru obrázku a pak zdola opět ke středu snímku. Jde o rovinu ekliptiky, tedy rovinu po níž obíhá Země kolem Slunce. Jde o známou rovinu protínající 13 souhvězdí (12 souhvězdí zvěrokruhu a souhvězdí Hadonoše).

Právě v okolí této roviny se pohybují dráhy po nichž obíhá kolem Slunce většina planetek, které leží v tzv. hlavním pásu planetek. Ten se nachází mezi drahami Marsu a Jupitera a je domovem velkého množství větších i menších těles. Z něj totiž pocházejí planetky zobrazené na mapě. Pochopitelně jsou i výjimky pohybující se výrazně mimo rovinu ekliptiky, avšak jde jen o zanedbatelnou část celkového počtu těles a onu pověstnou výjimku, která prověřuje pravidlo. Ano, dle původního rčení výjimka pravidlo prověřuje, nikoliv potvrzuje. A právě tyto planetky na výstředních oběžných drahách má Gaia velký potenciál objevovat a pozorovat.

Ačkoliv je v hlavním pásu planetek obrovské množství těles, dřívější hypotézy o rozdrcené planetě se nepotvrdily. Ze všech těles v pásu obsažených bychom nesložili planetu ani zdaleka, a to i přesto, že kupříkladu Ceres i Vesta jsou velmi velké objekty. A neplatí ani divoké fantazie autorů sci-fi o honičkách v asteroidových polích. Musíme vzít v úvahu, že hlavní pás planetek existuje ve třech dimenzích. Vzdálenosti mezi planetkami jsou proto tak obrovské, že je spíše problém jich navštívit více při jedné cestě.

Závěr

A vidíte, ani to nebolelo. Jsme na konci dnešního delšího, avšak snad trochu odlehčeného výročního článku. Každá podobná příležitost napsat o podobně význačné misi, jakou Gaia bezesporu je se velmi hodí. Zvláště proto, že se očekává, že sondě v průběhu několika let dojde palivo k jemným korekčním motorkům, takže patnáctého, ani dvacátého výročí se u Gaie už s velkou pravděpodobností nedočkáme.

Opravy a doplnění

• 19. prosince 2023 20:30 – Na základě upozornění Josefa Formana z Hvězdárny a planetária v Brně opravena jedna věta v podkapitole Galaxie a hvězdokupy, kde jsem psal dvakrát o otevřených hvězdokupách, správně pochopitelně mělo být nejprve otevřené hvězdokupy, v pokračování věty pak hvězdokupy kulové.

Poznámka autora

• Tento článek vznikal dosti ve spěchu, nechtěl jsem totiž přijít o možnost připomenout kulaté výročí takto významné mise přesně v den, kdy před deseti roky odstartovala do kosmického prostoru. To také znamená, že se zde může vyskytovat větší množství překlepů a jiných pravopisných chyb, než obvykle. Za to se předem omlouvám.

Použité a doporučené zdroje

• ESA Gaia: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia
• Research Gate: https://www.researchgate.net/
• Physics World: https://physicsworld.com/
• Phys.org: https://phys.org/

Zdroje obrázků

• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/48/5f/485fedff-acf9-4d62-b817-4ede5fcb0240/artist_s_impression_of_gaia.jpg__930x580_q85_crop_subject_location-465%2C290_subsampling-2.jpg
• https://cdn.xsd.cz/resize/50947649b471325f81ecc8778f56902b_resize=680,471_.jpg?hash=cd679b455488ffc001d1a5253e227221
• https://cdn.sci.news/images/enlarge3/image_4192_2e-Gaia-Map.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/33580/35361/1567214614053-ESA_Gaia_DR2_GC_DG_with_orbits_1280.jpg/
• https://cdn.sci.esa.int/documents/33580/35361/1567213870164-ESA_Gaia_Debris_of_merged_galaxy_Gaia-Enceladus_w_clusters_20181107.jpg/
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/239681/IoW_20200109_DistanceNeighbours_Full.jpg/99a4bd34-9b17-b752-39a1-40b8eb5a9bac?t=1578488523732
• https://gaiaverse.eu/wp-content/uploads/2016/06/1st-Gaia-Map.png
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2020/12/gaia_s_stellar_motion_for_the_next_400_thousand_years/22358008-1-eng-GB/Gaia_s_stellar_motion_for_the_next_400_thousand_years.png
• https://www.rheagroup.com/wp-content/uploads/2020/12/Stellar_families_in_Gaia_s_sky_NEW.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2022/06/gaia_map_of_interstellar_dust_in_the_milky_way/24305612-1-eng-GB/Gaia_map_of_interstellar_dust_in_the_Milky_Way.png
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/8983111/skymap_gspphot_highres_0.1radSmooth_VminVmax0_4_SFRadded.png/91aadc0c-8172-8d63-ecad-1ce6254f6867?t=1654866209888
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/8983111/skymap_gspphot_preview_0.1radSmooth_VminVmax0_4_SFRZoomInsAdded.jpg/
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2022/06/gaia_s_chemical_map_of_the_milky_way/24305657-1-eng-GB/Gaia_s_chemical_map_of_the_Milky_Way_pillars.png
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/9005040/c9outr126-skymap-ages-seismic_hp7_colorlabel_1000.png/399f14ff-169c-50f3-b265-7dad5315e76c?t=1655056599082
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/10/gaia_characterises_dynamics_of_10_000_variable_stars/25119101-1-eng-GB/Gaia_characterises_dynamics_of_10_000_variable_stars_pillars.png
• https://cdn.sci.esa.int/documents/33580/35361/1567215011319-ESA_Gaia_DR2_Parallaxes_AllSky_1280.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2015/08/gaia_s_asteroid_detections/15564860-1-eng-GB/Gaia_s_asteroid_detections_pillars.png