Gaia – stručný přehled novinek

Před týdnem jsme tu hovořili o Euclidu, ale vědecké výsledky ve skutečnosti přišly v nedávné době ještě z jedné evropské mise, sondy Gaia. A zatímco Euclid byl nyní ve středu zájmu a téměř všichni se na něj těšili, na chudinku nebohou Gaiu tak nějak skoro všichni pozapomněli, přešli její výsledky mlčky a nebo si jich dokonce ani nevšimli. A to je velká škoda, neboť zjištění této observatoře jsou vždy extrémně zajímavá. Mimochodem, možná se pamatujete, že jsme se tu před rokem a několika měsíci a sondě Gaia bavili. Rok se s rokem sešel a jsme tu s podobným tématem znovu. Dnes konkrétně s některými průběžnými výsledky zveřejněnými na počátku října.

Sonda Gaia

O evropské misi Gaia vybrané k realizaci v rámci programu Horizon 2000 Plus (jako první mise) jsme zde hovořili již několikrát, proto nyní jen velmi krátce. Gaia je sonda zaměřená na astrometrii, což je jeden ze základních oborů astronomie, který přesným měřením pozice a pohybů hvězd a dalších nebeských objektů. Jde o velmi starý obor, který v poslední době zaznamenává doslova renesanci. Umožňuje totiž například hledat exoplanety, ale má i celou řadu dalších aplikací.

Mise navazuje na předchozí velmi úspěšnou evropskou sondu Hipparcos, která byla aktivní v letech 1989 – 1993. Přitom už z října 1993 pochází první představa družice Gaia. Vědci ze Švédska a Anglie tehdy navrhli pokračování mise Hipparcos, jelikož ESA vyzvala odborníky k předkládání návrhů na zajímavé projekty v rámci svého dlouhodobého programu Horizon 2000 Plus. Projekt byl odsouhlasen v roce 2000 a definitivně schválen o šest let později.

Gaia se nakonec do kosmického prostoru vydala těsně před Vánoci roku 2013 a to na palubě rakety Sojuz ST-B startující z evropského kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně. Po úspěšném startu následoval přelet do blízkosti bodu L2 soustavy Slunce – Země, kde se Gaia usídlila na Lissajousově oběžné dráze, která se samotnému bodu L2 nejvíce přibližuje na 263 000 km. Očekává se, že Gaia bude fungovat nejméně do roku 2025 a ESA vyšla na zhruba tři čtvrtě miliardy euro.

Co se týče vědy, měla Gaia za úkol zmapovat pozice a polohy přibližně jedné miliardy hvězd. To by mělo odpovídat asi jednomu procentu z celkového počtu hvězd Mléčné dráhy. To není ovšem úplně přesné, v tomto se můžeme setkat i s lehce odlišnými počty. V každém případě však jde o nezanedbatelnou část všech hvězd Galaxie. Tento cíl už se mimochodem podařilo splnit, Gaia má nyní na kontě již přes 1,8 miliardy hvězd. Gaia by také měla nalézt stovky tisíc kvasarů, desetitisíce exoplanet, desetitisíce planetek a nové komety.

Nová data z roku 2023

Možná si ještě pamatujete na náš rok a téměř rok a půl starý článek, v němž jsme probírali nové výsledky zveřejněné v rámci balíčku dat uvolněného právě v loňském roce. Mohli jsme se setkat s údaji o pozicích hvězd či planetek, novými nesmírně zajímavými a bohatými mapami oblohy či dokonce s informacemi o hlubším vesmíru.

Někteří si však možná vzpomenou, že jsem ve článku tvrdil, že se nový balíček dat očekává až za několik let, až vědci získají dostatek nových údajů. Jak to, že jsme tedy již nyní mohli připravit nový článek? To snad Gaia pracuje tak moc dobře? Nebo vědci špatně odhadli její možnosti? Nikoliv. Nový velký balíček dat se skutečně dá očekávat snad až ke konci roku 2025. Nicméně některé dílčí výsledky již byly uveřejněny. Proto má smysl se i jimi zabývat.

Planetky

Začněme dnes nejblíže naší Zemi a postupujme poté dále do kosmického prostoru. Sonda Gaia pomáhá mapovat pozice a pohyby nejen hvězd, ale též planetek. To je velmi důležité zvláště u těch blízkozemních, která v budoucnu mohou potenciálně narazit do naší planety a tím ohrozit určitá území, naši civilizaci jako celek, popřípadě i existenci složitějšího života na Zemi. Gaia pochopitelně nemůže dráhu těchto těles žádným způsobem změnit, ale na planetární ochraně se podílí prostě tím, že nám pomůže planetky mnohem lépe zmapovat, což dovolí v budoucnu případně k rizikovým tělesům vyslat další mise, které už by jejich trajektorie změnit mohly.

Gaia dodnes identifikovala 156 000 planetek, to jsme si uvedli již u minulého článku. Tento počet se s novými daty dosud nezvýšil. Co se však zlepšilo je určení pozice těchto těles, protože nová data obsahují údaje o jejich pozicích a pohybech za skoro dvojnásobný čas oproti předchozímu období. To znamená, že se většinu drah planetek, pouze na základě měření mise Gaia podařilo určit zhruba dvacetkrát přesněji. Nový velký balíček dat tyto ještě upřesní, ale co více, zahrnut bude zhruba dvojnásobek planetek. A navíc budou zahrnuty též komety a měsíce planet. Naše povědomí o malých tělesech Sluneční se tím výrazně zlepší.

Proměnné hvězdy

Některé hvězdy, které na obloze vidíme mění periodicky popřípadě kvaziperiodicky svou jasnost. Proto je označujeme jako proměnné. Jejich zkoumání přitom není samoúčelné, ale specifický typ proměnných hvězd je pro nás zcela klíčový kvůli určování vzdáleností ve vesmíru. Není tedy divu, že tyto hvězdy zajímají i astronomy stojící za misí Gaia. Třetí balíček dat obsahoval celkem dva miliony kandidátů na proměnné hvězdy.

Nově byly zveřejněny také údaje o 10 000 pulzujících a binárních rudých obrech, což jsou hvězdy na úplném konci svého života v hlavní posloupnosti (jakási hvězdná dospělost). Proměnné hvězdy mohou být proměnnými jednak kvůli fyzickým změnám vlastní hvězdy, jednak kvůli geometrii, pod což spadá například rotace nebo zákryty jinou hvězdou. Oba typy jsou v tomto případě mezi naměřenými rudými obry zastoupeny.

Nově získaná data nejsou důležitá jen kvůli určování vzdáleností v kosmu, ale i proto, abychom získali lepší představu o vzniku a vývoji hvězd v průběhu prostoru a času. Díky misi Gaia obdržíme mnohem přesnější charakteristiky mnohých hvězd a pochopíme jejich vývoj v průběhu celé historie existence vesmíru. To je přitom zásadní mimo jiné i kvůli stanovení toho, jak moc pravděpodobný je vznik života či existence civilizace podobné té naší.

Vědci stojící za misí Gaia uveřejnili zajímavou mapu, na níž si můžete povšimnout celé řady různě barevných koleček. Každé z nich ukazuje pozici jedné položky uvedeného desetitisícového katalogu rudých obrů. Každá barva přitom představuje jiný typ proměnných hvězd. Červeně jsou označeny zdroje, u nichž je za proměnnost odpovědná samotná hvězda. Zeleně vidíme zvláštní typ proměnných hvězd s dlouhou periodou, který se označuje jako LSP (long secondary period). U nich není důvod proměnlivosti dosud spolehlivě známý, uvažuje se o tom, že souvisí s hustými oblaky prachu, které kolem těchto hvězd obíhají. Modrou barvou jsou pak označeny hvězdy vykazující proměnnost kvůli tomu, že jsou součástí binárního systému s jiným objektem.

Sonda Gaia dokáže velice přesně proměřit nejen pozice a rychlosti jednotlivých hvězd, ale umí též určit jak moc a jak rychle se mění svítivost daných zdrojů. Jinými slovy dokáže přesně zmapovat proměnnost jednotlivých hvězd a její průběh. Když dochází ke změnám, mění se i radiální rychlost hvězdy (rychlost ve směru od nás nebo k nám). Pokud je proměnlivost fyzická, vzdaluje či naopak přibližuje se přímo povrch hvězdy, v případě binárního systému vidíme pohyb hvězdy po dráze kole společného těžiště soustavy. Tyto skutečnosti na mapě reprezentuje odstín barvy a velikost kolečka. Čím je značka hvězdy větší a tmavší, tím více se v průběhu cyklu mění rychlost hvězdy.

Přehlídka Mléčné dráhy

Jak už jsme si pověděli, Gaia provedla velmi rozsáhlá pozorování pozice a pohybů hvězd naší Galaxie. Původní plán, totiž zmapovat jednu miliardu hvězd, již překročila téměř dvojnásobně. I tak ale stále zůstávají v našem poznání mezery. Observatoř dosud například neprozkoumala oblasti oblohy, kde je vysoká hustota hvězd.

Typickým příkladem takových oblastí jsou kulové hvězdokupy, seskupení obsahující stovky tisíc až nižší miliony hvězd, které patří k nejstarším objektům ve vesmíru. Jejich pozorování však není pro špičkové přístroje příliš snadné, jelikož obsahují značné množství jasných hvězd, které jsou navíc na sebe doslova natěsnané, takže mohou být pro naše dalekohledy až příliš jasné. Dojde pak k tomu, že je teleskop přehlcený přemírou světla a v podstatě oslepne.

Vědci si však v případě sondy Gaia dokázali pomoci a právě na jednu takovou kulovou hvězdokupu se zaměřili. Díky tomu získali k 1,8 miliardám pozorování dalšího půl milionu hvězd a to jen z jediné hvězdokupy. Všech 500 000 hvězd z tohoto pozorování totiž patří kulové hvězdokupě Omega Centauri, což je největší kulová hvězdokupa viditelná ze Země. Trochu paradoxně není tato zahrnuta v Messierově katalogu, nicméně ji pod číslem 80 najdeme v Caldwellově katalogu, který slouží právě jako doplněk známějšího Messierova katalogu.

Vytvořil jej významný britský astronom Sir Patrick Moore a obsahuje významné objekty hlubokého vesmíru, které se z toho či onoho důvodu nedostaly do katalogu Messierova. Možná vás překvapí, že se onen katalog jmenuje Caldwellův a ne Moorův, když jej vytvořil Patrick Moore. Důvod je v tom, že se objekty Messierova katalogu tradičně označují písmenem M a číslem (například M31). Moore si tedy uvědomil, že při použití stejného postupu a stejného počtu objektů by vznikl velice matoucí stav. Rozhodl se proto raději zvolit své druhé příjmení Caldwell a objekty jeho katalogu se tak označují písmenem C a číslem, jako například Omega Centauri, která má označení C80.

Omega Centauri

Tu lidé zodpovědní za misi Gaia zvolili jako skvělý příklad typické kulové hvězdokupy. Rozhodli se ji proto využít pro pozorování dosud nejlepší astrometrickou observatoří na světě. Avšak místo toho, aby se zaměřovali na jednotlivé hvězdy zvolili speciální režim, kdy mapovali větší kus oblohy obklopující hvězdokupu. To vedlo k tomu, že pozorovali přes půl milionu nových hvězd, konkrétně 526 587. To je poměrně vysoké číslo. A nemuseli kvůli němu zabírat velkou oblast. Stačilo se zaměřit na jediný objekt v souhvězdí Kentaura.

Jedná se o další mozaiku do snahy o to zmapovat co nejvíce hvězd. Ovšem význam je i v něčem jiném. Astronomové totiž mohli detekovat hvězdy, které jsou velmi blízko k sobě, takže by je za normálních okolností, při použití běžného pozorovacího režimu, Gaia nikdy nemohla spatřit. Nová data umožňují lépe kulovou hvězdokupu Omega Centauri lépe pochopit a poznat. Lze díky nim prozkoumat do detailu strukturu hvězdokupy, především můžeme zjistit umístění a pohyby velké části hvězd, které Omegu Centauri tvoří. Gaia tak dovoluje vytvořit velmi rozsáhlou a komplexní 3D mapu objektu.

Velmi zajímavé na celém pozorování je skutečnost, že onen speciální režim použitý astronomy pro sledování Omegy Centauri byl původně navržený „pouze“ pro techniky a inženýry a měl zajistit hladký chod všech potřebných komponent a přístrojů observatoře. O jeho využití pro vědecká pozorování se nikdy dříve neuvažovalo ani mezi techniky, ale ani mezi samotnými vědci. Avšak situace se nakonec změnila a Gaia mohla díky tomu prozkoumat oblast velmi bohatou na hvězdy, ve skutečnosti jednu z nejbohatších, které kdy pozorovala.

A protože by bylo škoda osvědčený postup využit jen jednou a poté jen zahodit do koše, rozhodl se jej vědecký tým zodpovědný za misi Gaia použít pro dalších osm podobných oblastí. Výsledky budou zahrnuty ve čtvrtém velkém balíčku vědeckých dat. Takto získané informace výrazně pomohou astronomům porozumět kulovým hvězdokupám. A to rozhodně není samoúčelné, právě naopak.

Nové údaje mohou být mimořádně prospěšné při zkoumání Mléčné dráhy, naší galaxie a našeho domova. Odborníci by rádi přesněji lokalizovali galaktický střed, proměřili proměny hvězd v Mléčné dráze, či zjistili, zda v minulosti prošla nějakými srážkami s jinými galaxiemi a popřípadě jakými. Rovněž bychom rádi lépe znali stáří Mléčné dráhy. To vše nám pomůže mnohem lépe poznat vznik a evoluci galaxie, ale mimo jiné též stanovit dolní limit pro stáří vesmíru.

Gravitační čočky

Ačkoliv nebyla Gaia zkonstruována kvůli kosmologickým pozorováním, její záběr je tak široký, že dokáže pomoci i této vědecké oblasti. Docela dobře se totiž hodí pro pozorování gravitačních čoček. O nich jsme zde hovořili již opravdu mnohokrát. Ve stručnosti si zopakujme, že gravitační čočka vzniká, když nějaký objekt (například galaxie či kupa galaxií) zesiluje a ohýbá obraz objektu ležícího z našeho úhlu pohledu za ním. Vzniká pak efekt podobný optické čočce, dle toho je odvozen název jevu. Gravitační čočky jsou pro nás velmi důležité, neboť díky nim můžeme spatřit velmi vzdálené hvězdy a galaxie, popřípadě exoplanety, které bychom jinak vidět nemohli.

Rozlišujeme tři základní druhy čoček, silné a slabé čočky a také mikročočky. Každý typ je něčím důležitý. Mikročočky se například hojně užívají pro hledání daleko ležících exoplanet či bludných planet a hnědých trpaslíků. Slabé a silné čočky pak mají v zásadě poměrně podobné aplikace v kosmologii a astrofyzice, přičemž ovšem efekty silných čoček jsou výraznější. Pokud někde vidíte krásné obrázky hlubokého vesmíru s kupo galaxií v popředí a čočkovanými objekty kolem ní, pak se vždy jedná o silné gravitační čočkování.

Aby byl efekt gravitační čočky možný, musí být jednotlivé objekty v přesně té správné konfiguraci která tento jev umožňuje. A takové jsou relativně vzácné. Naštěstí je ve vesmíru nesmírné množství galaxií kup galaxií a dalších těles, takže se díky tomu pravděpodobnost pozorování prudce zvyšuje. A vzhledem k tomu, že Gaia dělá pozorování celé oblohy a proměřuje pozice a polohy mnohých objektů, vcelku dobře se hodí právě i pro hledání gravitačních čoček.

Díky naší observatoři se podařilo odhalit, že některé nalezené objekty nejsou ve skutečnosti hvězdy, ale velmi vzdálené kvasary. Tyto objekty se hvězdám dosti podobají, proto získaly název kvazistelární objekty (doslova něco jako „hvězdám podobné objekty“) zkráceně kvasary. Jak se podařilo zjistit, jedná se o aktivní jádra galaxií ležících velmi daleko ve vesmíru. V srdci každého z nich leží supermasivní černá díra požírající materiál z okolo ní obíhajícího akrečního disku. Právě procesy odehrávající se v akrečním disku v bezprostředním okolí černé díry kvasar pohánějí a vytvářejí tak energetické děje, že je můžeme vidět na vzdálenosti mnoha miliard světelných let.

Tým sondy Gaia dokázal v dosavadních datech identifikovat 381 kandidátů na kvasary, z toho 50 objektů u nichž je identifikace téměř jistá. Jedná se o největší soubor kandidátských objektů zveřejněný najednou. Protože se i v tomto případě jedná o silné gravitační čočky, vznikají mnohdy velmi zajímavé obrazy, ať už jde o prstence či vícenásobné projekce téhož objektu. Zvláště pozoruhodným úkazem je tzv. Einsteinův kříž, kdy v centru obrázku vidíme bližší čočkující objekt a kolem něj pak čtveřici obrazů stejného vzdálenějšího objektu uspořádaných do tvaru kříže.

Mezi novými kandidáty kvasarů se sondě Gaia podařilo rozlišit právě i pět Einsteinových křížů. Takováto krásná, jasná a pravidelná uspořádání jsou ovšem bohužel spíše výjimečná. Mnohem běžnější je změť obrazů v podstatě bez ladu a skladu, kdy je obtížné odlišit jednotlivé projekce, které se mohou různě prolínat, splývat spolu a podivně se shlukovat. Tyto navíc bývají poměrně slabé a málo jasné, protože i když kvasary emitují obrovské energie, mnohdy leží nesmírně daleko.

Na misi Gaia je ovšem pro nás výhodné to, že dělá pravidelné přehlídky celé oblohy. Není tedy nutné vědět, kde gravitační čočky hledat, ale pokud jsou pro Gaiu dostatečně jasné, přístroje sondy je uvidí samy. Gaia je proto první observatoř, která provádí celooblohový průzkum gravitačních čoček s vysokým rozlišením. Zvláště pozitivní je situace nyní, po startu teleskopu Euclid. Obě mise se totiž mohou krásně doplňovat. Mají sice jiné zaměření, Euclid na temnou hmotu a energii a Gaia na astrometrii, avšak kupříkladu Euclid může použít kvasary objevené sondou Gaia při svém vlastním budoucím výzkumu.

Závěr

Evropská sonda Gaia znovu ukázala svůj mimořádný přínos při průzkumu vesmíru. Svou hlavní úlohu, totiž mapování objektů v Mléčné dráze plní na výbornou, daří se jí ale přispět i k některým věcem, pro jejichž zkoumání původně vůbec nebyla navržena. A to se bavíme jen o průběžných výsledcích. Lze důvodně očekávat, že v pořadí čtvrtý velký balíček vědeckých dat bude ještě výrazně zajímavější. Kdy se jej dočkáme? To není dosud úplně jasné. Jisté je, že dříve než ke konci roku 2025 to nebude. A čeho se dočkáme? Přesně nevíme, dá se však čekat množství exoplanet, více kvasarů a proměnných hvězd a vícehvězdných systémů. Avšak především. Celkový počet zmapovaných hvězd by mohl překročit těžko uvěřitelné dvě miliardy.

Použité a doporučené zdroje

• ESA Gaia: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia

Zdroje obrázků 

• https://www.americaspace.com/wp-content/uploads/2013/12/gaia-in-space.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/Bb29-EiCAAAs9zX.jpg:large
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2020/12/gaia_s_stellar_motion_for_the_next_400_thousand_years/22358009-1-eng-GB/Gaia_s_stellar_motion_for_the_next_400_thousand_years.png
• https://wp.goingtospace.com/wp-content/uploads/2022/07/7E7C2AB9-7388-4A56-A75F-882600EAAD5F.webp
• https://www.dlr.de/content/en/images/2022/02/gaia-asteroid-locations.jpg?__blob=normal&v=4__ifc1920w
• https://i1.wp.com/arxiver.moonhats.com/wp-content/uploads/2018/04/CollaborationEtAl-1804.09382_f9.jpg
• https://i2.wp.com/arxiver.moonhats.com/wp-content/uploads/2018/04/CollaborationEtAl-1804.09382_f1.jpg
• 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.png
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2020/12/the_density_of_stars_from_gaia_s_early_data_release_32/22358886-1-eng-GB/The_density_of_stars_from_Gaia_s_Early_Data_Release_3.png
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2020/12/the_colour_of_the_sky_from_gaia_s_early_data_release_3/22358050-1-eng-GB/The_colour_of_the_sky_from_Gaia_s_Early_Data_Release_3.png
• https://i.guim.co.uk/img/static/sys-images/Guardian/Pix/pictures/2012/12/9/1355069241035/Sir-Patrick-Moore-in-2006-008.jpg?width=465&dpr=1&s=none
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/10/10_times_more_stars_comparing_two_gaia_views_of_omega_centauri_slider/25119462-1-eng-GB/10_times_more_stars_Comparing_two_Gaia_views_of_Omega_Centauri_slider_pillars.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/10/gaia_view_of_omega_centauri_focused_product_release/25119372-1-eng-GB/Gaia_view_of_Omega_Centauri_Focused_Product_Release.jpg
• https://images.news9live.com/wp-content/uploads/2023/10/Gaia-Omega-Centauri-Cropped.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/33580/35361/Gaia_12_Einstein_crosses_625.jpg
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/14037595/FPR_Quasar_Lens_Search_3.4.2_Hubble_plus_Gaiameanpositions.jpg/56fe6cfc-08a7-de85-556f-bfbcfaba90fe?t=1696437968676
• https://www.cosmos.esa.int/documents/29201/14037595/GaiaFPR_GravLens_Science_ComparisonPANSTARRS_DR3_FPR.jpg/35d761d9-e3f5-7299-d523-5ab3d872cc3b?t=1696685851217
• https://cdn.sci.news/images/2021/04/image_9538_1-Quadruply-Imaged-Quasars.jpg
• https://s3.amazonaws.com/adsabs-thumbnails/seri/MNRAS/0479/sty911/sty911fig1.jpeg