Astronómovia kontrolujú recept na kozmické šošovky

Čo by mohlo byť vzrušujúcejšie, než sledovať ohňostroje kataklizmatických hviezdnych explózií, ktoré prežiaria celé galaxie plné hviezd? A čo takto pozrieť sa na nich cez „zábavnú" šošovku mohutnej kopy galaxií, ktorej obrovská gravitačná sila zakrivuje časopriestor okolo nej? V skutočnosti vzdialené vybuchujúce hviezdy pozorované Hubblovým kozmickým ďalekohľadom (HST) poskytujú astronómom mocný nástroj na kontrolu „receptu" na tieto prírodné „kozmické šošovky", ktoré sa používajú na získanie zväčšeného a zosilneného pohľadu na vzdialený vesmír. Dva tímy nezávisle pracujúcich astronómov objavili tri takéto vybuchujúce hviezdy nazývané supernovy, nachádzajúce sa ďaleko za veľkými kopami galaxií. Ich svetlo bolo zosilnené účinkom obrovskej gravitácie galaktických kôp v popredí javom nazývaným gravitačné šošovkovanie. Prvý raz bol tento jav predpovedaný Albertom Einsteinom a podobá sa na ohýbanie svetla a zobrazovanie klasickou sklenou šošovkou. Astronómovia používajú metódu zobrazovania pomocou gravitačného šošovkovania na hľadanie vzdialených objektov, ktoré by inak boli príliš slabé na to, aby sme ich mohli pozorovať dnešnými aj tými najväčšími ďalekohľadmi. Astronómovia s projektu CLASH (angl. zrážka, skratka pochádza zo slov Supernova Cosmology Project and the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble = Kozmologický projekt so supernovami a šošovkovaním kôp a prieskum supernov s HST) používajú tieto supernovy v novej metóde na kontrolu predpovedaného zjasnenia objektov pomocou gravitačných šošoviek. Našťastie dve a možno aj všetky tri tieto supernovy sa zdajú byť špeciálneho typu nazývaného typ Ia. Takéto supernovy sú totiž astronómami cenené, pretože majú rovnakú maximálnu svietivosť, ktorá ich robí vhodnými na určovanie kozmologických vzdialeností. „Objavili sme supernovy typu Ia, ktoré sa dajú použiť ako tabuľka pre každú kopu zobrazenú šošovkovaním," vysvetľuje Saurabh Jha z Rutgers University v Piscataway v New Jersey, člen tímu CLASH. Pretože u supernov typu Ia vieme určiť skutočnú svietivosť, teda žiarivý výkon, resp. tzv. absolútnu magnitúdu, môžeme pomocou nich nezávisle merať zjasnenie gravitačnej šošovky - na rozdiel od iných zdrojov svetla v pozadí. Takýto presný „recept" pre gravitačnú šošovku pomôže astronómom preskúmať objekty v ranom vesmíre a lepšie pochopiť štruktúru kôp galaxií a rozdelenie tmavej hmoty, tvrdia vedci. Tmavá hmota sa nedá pozorovať priamo, ale predpokladá sa, že tvorí väčšinu hmoty vesmíru. Koľkokrát je gravitačne šošovkovaný objekt zjasnený, závisí na množstve hmoty v kope, vrátane tej tmavej, ktorá je zdrojom väčšiny gravitačnej sily kopy. Astronómovia vypracovali mapy, ktoré určujú polohu a množstvo tmavej hmoty v kope, založené na teoretických modeloch a na pozorovaných zosilneniach a ohybe svetla zo zdrojov nachádzajúcich sa za kopou galaxií. Tieto mapy sú akési recepty pre gravitačnú šošovku, ktoré predpovedajú ako budú vzdialené objekty za kopou galaxií zjasnené, keď ich svetlo cez ňu prejde. „Pochopenie týchto modelov šošovkovania má tiež dôsledky pre široké spektrum kľúčových kozmologických štúdií," objasňuje Saul Perlmutter, vedúci projektu Supernova Cosmology Project z Lawrence Berkeley National Laboratory a z University of California, Berkeley. „Tieto recepty pre šošovky prinášajú merania hmotností kôp galaxií, čo nám umožňuje preverovať kozmické zápolenie medzi gravitáciou a tmavou energiou, teda ako je hmota vo vesmíre priťahovaná do kôp galaxií." Tmavá energia je záhadná, neviditeľná energia, ktorá urýchľuje rozpínanie vesmíru. Tri supernovy v štúdii vykonanej pomocou HST boli všetky šošovkované rôznymi galaktickými kopami. Vedecké tímy merali jasnosti šošovkovaných supernov a porovnávali ich s teoretickými jasnosťami bez efektu šošovkovania, aby vypočítali ako boli vďaka gravitačnému šošovkovaniu zjasnené. Jedna supernova zvlášť vyčnievala z radu, pretože sa javila dvakrát jasnejšia než bolo očakávané, ak by neexistovalo pôsobenie gravitačnej šošovky. Tieto „použité" supernovy boli objavené v prehliadke CLASH, ktorá pomocou HST skúmala rozloženie tmavej hmoty v 25 kopách galaxií. Dve zo supernov boli objavené v roku 2012, tretia už v roku 2010. Tieto tri supernovy vybuchli pred 7 až 9 miliardami rokov, keď mal vesmír menej než polovicu svojho súčasného veku a ten je 13,8 miliardy rokov. Na vykonanie svojich analýz použili dva tímy astronómov pozorovania vo viditeľnom svetle získané pomocou prístroja Advanced Camera for Surveys a v infračervenej oblasti spektra z Wide Field Camera 3 (obidva sú súčasťou HST). Vedecké tímy tiež získali spektrá pomocou kozmických aj pozemských ďalekohľadov, ktoré zabezpečili nezávislé určenie vzdialeností týchto supernov. V niektorých prípadoch spektrá umožnili priame potvrdenie príslušnosti k supernovám typu Ia. V iných prípadoch spektrum supernov bolo slabé, alebo prežiarené svetlom svojej materskej galaxie. Vtedy astronómovia tiež použili rôzne farebné filtre na HST, aby im pomohli zistiť typ supernovy. Obidva tímy potom porovnali svoje výsledky s nezávislými teoretickými modelmi obsahu tmavej hmoty v kopách galaxií a prišli k záveru, že ich predpovede súhlasia s modelmi. „Je povzbudzujúce, že dve nezávislé štúdie dospeli k takmer rovnakým záverom," vysvetľuje člen tímu Supernova Cosmology Project Jakob Nordin z Berkeley Lab a z University of California v Berkeley. „Táto pilotná štúdia prináša veľmi dobré pravidlá pre to, aby sa budúce pozorovania supernov zobrazených gravitačnou šošovkou ešte viac spresnili." J. Nordin je tiež hlavný autor tímovej vedeckej práce popisujúcej tieto zistenia. Teraz keď vedci preukázali efektivitu tejto metódy, potrebujú nájsť viac supernov typu Ia za mohutnými šošovkujúcimi kopami galaxií. Astronómovia odhadujú, že potrebujú okolo 20 supernov roztrúsených za jednou kopou galaxií, aby mohli zmapovať gravitačné pole celej kopy a uistiť sa, že tento „šošovkový" model je správny. V tomto ohľade sú značne optimistickí, pretože HST, ako aj budúce ďalekohľady, napr. pripravovaný James Webb Space Telescope – infračervený kozmický ďalekohľad, zachytia viac takýchto unikátnych vybuchujúcich hviezd. „HST už po nich pátra v tzv. Frontier Fields (hraničné polia), čo je trojročná prehliadka vzdialeného vesmíru za pomoci veľmi hmotných kôp galaxií účinkujúcich ako gravitačné šošovky," povedal člen tímu CLASH Brandon Patel z Rutgers University, hlavný autor vedeckého článku oznamujúceho výsledky tímu CLASH. Steven Rodney z Johns Hopkins University a ďalší spolupracovníci z tímu CLASH nasmerujú hľadanie supernov typu Ia na údaje z prehliadky Frontier Fields.

Publikované v časopise QUARK, júl 2014, RNDr. Zdeněk Komárek