Gravitační čočky and Jak získat obrazy nejhlubšího vesmíru (1.)

Sluneční soustavu známe už docela dobře, více méně se orientujeme v Mléčné dráze a leccos víme také o blízkých galaxiích. Jenže čím hlouběji do vesmíru se díváme, tím velkolepější záhady tam můžeme odhalit. Nejvzdálenější tajemství kosmu nás neodolatelně vábí, a abychom se k nim přiblížili, musíme ze svých důmyslných přístrojů dostat naprosté maximum – jenže někdy ani to nestačí. Naštěstí existují pozoruhodné triky s příchutí astrofyzikální magie, s jejichž pomocí můžeme v některých případech nahlédnout doslova za hranice možností. Takovým trikem je i gravitační čočkování. 

Jak gravitace vytvoří čočku?

Už dávno není tajemstvím, že skutečně hmotné objekty ve vesmíru ohýbají svou gravitací časoprostor a s ním i paprsky záření, které putují mrazivým kosmickým tichem. Ohyb světla v gravitačním poli – tak jak ho zvládá optická spojná čočka neboli spojka, důvěrně známá třeba majitelům brýlí proti dalekozrakosti – a kouzelnické zvětšování různě deformovaných obrazů původního zdroje záření predikovala obecná teorie relativity. Zmíněnou předpověď potvrdil v roce 1919 britský astrofyzik Arthur Eddington, když během slunečního zatmění pozoroval, že se hvězdy v těsné blízkosti Slunce zdály být trochu posunuté. 

V 30. letech Albertu Einsteinovi došlo, že pokud se příznivou náhodou ocitnou v jedné přímce pozorovatel, vzdálený zdroj záření a skutečně hmotný objekt, mohla by gravitace zmíněného objektu ohýbat světlo podobně, jako kdybychom do vesmíru umístili obrovskou spojnou čočku. Slavný fyzik se přitom domníval, že budou podobné jevy nesmírně vzácné a že je nejspíš nikdy neuvidíme. Nicméně i mistr tesař se někdy utne. Od publikace Einsteinových názorů na gravitační čočky sice muselo uplynout více než čtyřicet let, ale v roce 1979 si astronomové poprvé všimli gravitačního čočkování při pozorování kvazaru Q0957+561 v souhvězdí Velké medvědice, přezdívaného také Kvazar dvojče či Dvojitý kvazar. Od té doby se podařilo objevit celé stovky krásných gravitačních čoček.

V hlavní roli náhoda 

Dřív nacházeli astronomové gravitační čočky náhodou, jako nečekaný bonus při prohledávání vesmírných hlubin. Postupně však spatřovaly světlo světa specializované programy, jako byl například průzkum severní oblohy CLASS neboli Cosmic Lens All Sky Survey na radioteleskopech soustavy Very Large Array (VLA) v Novém Mexiku. To ovšem neznamená, že by v objevování gravitačních čoček přestala hrát významnou roli náhoda.

Hubbleův vesmírný dalekohled například docela náhodou odhalil letos v létě dosud nejvzdálenější galaxii, jež funguje jako gravitační čočka. Jde o eliptickou galaxii, jednu z dvojice nejjasnějších galaxií v kupě IRC 0218. Ve vzdálenosti 9,6 miliardy světelných let pro nás čočkuje obraz bouřlivé spirální galaxie, kterou od Země dělí 10,7 miliardy světelných roků. Podobně vzdálené gravitační čočky přitom objevujeme jen vzácně a představují pro nás ohromně cennou sondu do minulosti kosmu. Porovnáním gravitační čočky z kupy galaxií IRC 0218 s bližšími, a tudíž mladšími kolegyněmi můžeme například odhadnout, zda se během vývoje vesmíru nějak mění množství nebo vlastnosti temné hmoty.

Co skrývá Pandořina kupa galaxií?

Hubbleův dalekohled a gravitační čočkování sehrály stěžejní roli i v pozoruhodném objevu letošního podzimu. Vědci v rámci programu Frontier Fields použili jako kosmické zvětšovací sklo gigantickou kupu galaxií Abell 2744 ze souhvězdí Sochaře, přezdívanou Pandořina kupa galaxií, od které nás dělí zhruba čtyři miliardy světelných let. Díky přibližně desetinásobnému zvětšení se tak podařilo odhalit jednu z nejvzdálenějších galaxií pradávného vesmíru, ležící zřejmě dál než 13 miliard světelných let. Jde o nefalšovanou fosilii o délce pouhých 850 světelných let, jejíž hmota dosahuje na galaktické poměry směšných 40 milionů sluncí.

Pandořina kupa galaxií vznikla po současné srážce nejméně čtyř menších kup. Odehrála se při tom celá řada podivuhodných věcí, jejichž následky nyní pozorujeme a od kterých ostatně odvozujeme i název kupy. Letos se koncem října objevila zpráva o bledém, strašidelném svitu osiřelých hvězd dávno mrtvých galaxií, které v Pandořině kupě pozoroval opět Hubbleův dalekohled. Vědci pečlivou detektivní prací zjistili, že nezměrné gravitační síly rozcupovaly ve zmíněné kupě postupně asi šest galaxií o velikosti Mléčné dráhy. Jejich hvězdy tam však zůstaly a přízračně osvětlují jinak pusté mezigalaktické prostory. 

Astrofyzici milují Einsteinovy přízraky 

Gravitační čočkou se může stát jakýkoliv objekt s dostatečně velkou přitažlivostí, jako jsou černé díry, supermasivní černé díry, kvazary či celé galaxie. Jestliže se pozorovatel, čočkující objekt a zdroj záření nacházejí v jedné přímce, vidíme zmíněný vzdálený zdroj záření na Zemi jako kroužek kolem gravitační čočky. Vědci jej romanticky pojmenovali Einsteinův prstýnek, nastává ovšem jen velmi vzácně. Pokud se přímka „nepovede“ a čočkující objekt poněkud vybočuje, může v závislosti na jeho poloze vzniknout víc obrazů – jakási gravitační fata morgana na velkolepém kosmickém jevišti. Přestože jde o pouhé přízraky, astrofyzici gravitační čočky milují, zejména pro jejich ohromný přínos při zkoumání vesmíru.

Pozorujeme-li Einsteinovy prstýnky, oblouky či vícenásobné obrazy čočkovaných objektů, mluvíme o silném gravitačním čočkováním. Slabé čočkování je doopravdy slabé a deformace zdrojů záření objevíme jen analýzou velkého množství pozorovaných objektů. Odměna za mravenčí práci však bývá sladká: můžeme odhadnout rozložení hmoty v dané oblasti vesmíru, včetně hmoty, která jinak není vidět. Slabé gravitační čočkování tudíž představuje zajímavý nástroj pro rekonstrukci rozložení temné hmoty.

Je libo gravitační mikročočku?

Pokud záření ohýbají tělesa hvězdné, či dokonce planetární velikosti přímo v Mléčné dráze, vznikají gravitační mikročočky. Projevují se tím, že se nějaká hvězda v jiné galaxii nebo třeba kvazar najednou zjasní a po krátké době zase získají původní vzhled. U gravitačního mikročočkování nás přitom ani tak nezajímají zvětšované obrazy, jako samotné mikročočky. Nabízejí totiž skvělou příležitost dozvědět se něco o tělesech v Mléčné dráze bez ohledu na jejich záření. 

Dokončení: Gravitační čočky: Jak získat obrazy nejhlubšího vesmíru (2)

Gravitační mikročočkování prozradí i velmi slabě zářící či úplně temné planety, hnědé, bílé, červené a jiné trpaslíky, neutronové hvězdy i černé díry. Právě díky mikročočkování – přesněji řečeno díky absenci jeho intenzivních projevů – tušíme, že nás neobklopuje moře neviditelných černých děr a že jsou tyto gravitační anomálie spíše vzácné. A to je pro život na Zemi jistě pozitivní zpráva.