Hubbleovo hluboké pole: Neuvěřitelný pohled k počátkům vesmíru

Hubbleovo hluboké pole neboli Hubble Deep Field (HDF) patří k nejvěhlasnějším snímkům, jaké kdy pomocí zmíněného teleskopu vznikly. Pozoruhodná fotografie nepatrné části oblohy odhalila tisíce do té doby neznámých galaxií a dalších objektů. Onen den před dvaceti lety, kdy byla pořízena, změnil naše chápání kosmu. Hubbleova hluboká pole od té doby přinášejí vědcům jedinečné informace o mladém vesmíru, jež můžeme přímo konfrontovat se současnými kosmologickými modely.

Hubbleův kosmický teleskop (HST) krouží na zemské orbitě a naši planetu oběhne zhruba jednou za 1,5 hodiny; může tak provádět pozorování pouze na necelé polovině trasy, kdy se nachází nad noční polokoulí. K zachycení slabých objektů musí danou oblast vesmíru sledovat opakovaně během většího počtu oběhů, načež se získaná data „sčítají“ do jedné fotografie. Dosáhne se tak větší citlivosti a rozlišení. Tuto skutečnost astronomové využili i k hloubkovým sondám do vzdálené minulosti kosmu při pořizování tzv. snímků hlubokých polí.

Historická premiéra

První detailní pohled HST do hlubin vesmíru zachytil velmi malou oblast v souhvězdí Velké medvědice (Ursa Major): Jednalo se o lokalitu s rozměrem 2,5 úhlové minuty, přičemž průměr Měsíce na obloze dosahuje asi 30 úhlových minut. Obraz sestával z 342 samostatných záběrů, které mezi 18. a 28. prosincem 1995 pořídila Wide Field and Planetary Camera 2. Celková doba expozice činila 34–42 hodin v závislosti na použitém filtru.

Snímané pole bylo tak malé, že obsáhlo pouze několik hvězd Mléčné dráhy. Většinu asi ze tří tisíc viditelných objektů představovaly galaxie, přičemž některé z nich byly velice mladé a velmi vzdálené. Díky odhalení tak hojného počtu mladých hvězdných ostrovů se stal snímek Hubble Deep Field důležitou sondou do dávného vesmíru a následně dal vzniknout zhruba tisícovce vědeckých prací.

Směr jižní obloha

V roce 1998 se pak obdobným způsobem podařilo vyfotografovat část jižní hvězdné hemisféry a výsledný snímek proslul jako Jižní Hubbleovo hluboké pole, tedy Hubble Deep Field South (HDF-S). Podobnost obou oblastí utvrdila vědce v myšlence, že vesmír je ve velkých měřítkách homogenní (hovoříme o tzv. kosmologickém principu) a že Země krouží v podstatě ve velmi běžné kosmické lokalitě. Fotografie obsáhla přes deset tisíc galaxií – některé z nich přitom vidíme ve stavu, v jakém se nacházely před třinácti miliardami roků.

Wide Field and Planetary Camera 2 na palubě HST snímkovala danou oblast po dobu deseti dnů na přelomu září a října 1998. Pozorování se uskutečnila při 150 obězích Země, celková délka expozice přesáhla 15 dní.

Ultra hluboké pole

Hubbleovo ultra hluboké pole neboli Hubble Ultra Deep Field (HUDF) představuje snímek malé oblasti v souhvězdí Pece (Fornax), složený z dat Hubbleova dalekohledu shromážděných od 24. září 2003 do 16. ledna 2004. Jedná se o obraz nejvzdálenějšího vesmíru, jaký kdy vznikl v oboru viditelného světla. Dovoluje nahlédnout přibližně 13 miliard roků do minulosti a hledat galaxie, které existovaly 400–800 milionů let po Velkém třesku.

Fotografie HUDF obsáhla zhruba deset tisíc hvězdných ostrovů a zaměřila se na část oblohy s malou hustotou jasných stálic, což umožnilo mnohem lépe zachytit méně jasné, vzdálenější objekty. HST je přitom jediným přístrojem na světě, který dokáže pozorovat tyto daleké cíle ve viditelném světle.

Snímkování zahrnulo oblast o velikosti pouhé desetiny měsíčního disku v úplňku a výsledná fotografie sestávala z 800 záběrů, jež vznikly během 400 oběhů HST kolem Země. Celkový expoziční čas dosáhl 11,3 dne u přístroje Advanced Camera for Surveys (ACS) a 4,5 dne u aparatury Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS). Uvnitř Hubbleova ultra hlubokého pole bylo později zachyceno také Hubbleovo extrémně hluboké pole.

Sčítání galaxií v raném vesmíru

Pomocí HST tak astronomové objevili dosud nepozorovanou populaci prvotních galaxií, které se zformovaly před více než 13 miliardami let. Tehdejší nejhlubší pohledy Hubbleova teleskopu do vesmíru poskytly vůbec první statisticky významné vzorky galaxií, jenž nám sdělily, jak hojný byl jejich výskyt v době vzniku prvotních hvězdných ostrovů.

Výsledky ukazují pozvolný pokles počtu galaxií při pohledu do časově vzdálenějšího období, a to až do doby 450 milionů roků po Velkém třesku. Pozorování podporují představu, že se galaxie během kosmického vývoje nepřetržitě spojovaly a rovněž produkovaly dostatečné množství záření k opětovnému zahřátí (tzv. reionizaci) vesmíru v období několika stovek milionů let po jeho vzniku.

V roce 2012 se HST zaměřil pouze na malou část Ultra hlubokého pole, kterou celkově exponoval 23 dní. Některé galaxie na výsledném snímku reprezentují vesmír starý jen čtyři sta milionů let.

Nové výzkumy 

V nové pozorovací kampani HUDF 2012 využila skupina astronomů pod vedením Richarda Ellise z pasadenského Caltechu zařízení Wide Field Camera 3 na palubě HST, aby nahlédla v oboru blízkého infračerveného záření ještě hlouběji do vesmíru. Pozorování probíhala šest týdnů během srpna a září 2012. „Naše výzkumy se zlepšily ve dvou směrech,“ vysvětloval Ellis. „Zaprvé jsme použili delší expozici než dosud. Dostali jsme se tak do vzdálenější oblasti kosmu, což tvoří podstatu spolehlivého výzkumu počátků vesmírné historie. Zadruhé jsme velmi účinně využili dostupné barevné filtry na HST k přesnějšímu měření vzdálenosti galaxií.“

V dalekém kosmu však možná existuje ještě mnoho neznámých hvězdných ostrovů, které čekají na objevení pomocí chystané vesmírné observatoře James Webb Space Telescope (JWST). „Ačkoliv jsme dosáhli vzdálených hlubin vesmíru, v jistém smyslu jde pouze o předstupeň toho, co může dokázat JWST,“ objasňuje Anton Koekemoer z baltimorského Space Telescope Science Institute. „Naše práce naznačuje, že existují oblasti bohaté na prvotní galaxie, které snad nový dalekohled odhalí a prostuduje.“

Extrémně hluboké pole

Hubbleovo extrémně hluboké pole neboli Hubble eXtreme Deep Field (XDF) představuje výřez z HUDF, tedy obraz malé části nejstaršího vesmíru v již zmiňovaném souhvězdí Pece. Výsledek vznikl z více než dvou tisíc snímků pořízených od 24. září 2003 do 16. ledna 2004, expozice trvala přibližně 23 dní.

Fotografie zachytily kamery na palubě HST, které pracují nejen ve viditelném světle, ale i v oblasti infračervených a ultrafialových vlnových délek, což nám umožňuje nahlédnout do velmi starých částí kosmu. Vůbec nejstarším, a tudíž i nejvzdálenějším pozorovaným objektem všech dob se na tomto snímku stala galaxie, kterou od Země dělí přibližně 13,2 miliardy světelných roků. Fotografie pak mimo jiné odhalila nejméně 5 500 dosud neznámých hvězdných ostrovů z rané vývojové fáze vesmíru, z období zhruba 500 milionů let po Velkém třesku.

Ultrafialové ultra hluboké pole 

Obraz Ultrafialového ultra hlubokého pole z roku 2014 vznikl z 841 samostatných expozic pořízených v rozmezí let 2003–2012 pomocí přístrojů ACS a Wide Field Camera 3 na palubě HST. Projekt navázal na snímky Hubble Ultra Deep Field, kdy se z expozic z let 2003–2004 podařilo sestavit nejhlubší pohled do vesmíru ve viditelné a blízké infračervené oblasti.

S přidáním fotografií v UV oboru pak bylo možné dosáhnout plného barevného rozsahu od blízké infračervené až po ultrafialovou oblast spektra. Na složeném snímku se nachází přibližně deset tisíc galaxií, z nichž nejstarší vznikaly již několik set milionů let po Velkém třesku.

Podoby nejvzdálenějších galaxií

V poslední době jsme si zvykli na nádherné snímky blízkých hvězdných ostrovů pořízené pomocí velkých pozemních či kosmických dalekohledů. Jakou podobu však mají pradávné galaxie? I na tuto otázku poskytla odpověď Hubbleova hluboká pole. Naše fotografie ukazuje 36 mladých galaxií zachycených v procesu spojování s jinými hvězdnými ostrovy. Jeví se nám přitom tak, jak vypadaly před mnoha miliardami let. Výřezy pocházejí z HUDF z roku 2004.

TIP: Soustava teleskopů ALMA prozkoumala Hubbleovo ultrahluboké pole

Astronomové spatřili v těchto mladých galaxiích náznaky aktivity černých děr. K takovým charakteristickým projevům patří kolísání jasnosti v čase, což znamená, že černá díra pohlcuje okolní plyn či hvězdy. Záblesky světla nepřicházejí ze samotné černé díry, ale z jejího bezprostředního okolí. Odborníci sice nepozorovali změny jasnosti u žádné ze zkoumaných zárodečných galaxií, sledovali je však u 46 různých slabých hvězdných ostrovů, jež se zrodily o několik stovek milionů let dřív. 

Závěry napovídají, že černé díry začaly pohlcovat okolní materiál až v době spojování galaxií. Přesněji řečeno trvalo několik stovek milionů let, než plyn a stálice ze srážek hvězdných ostrovů dospěly do blízkosti černých děr a došlo k detekovaným změnám jasnosti. Souhlasí to s novými počítačovými modely, podle nichž by mělo být pohlcování hmoty černými dírami pozorovatelné až po fázi spojování prvotních galaxií.