Budou to týdny hrůzy, ale pak bychom mohli nahlédnout blíž k počátkům vesmíru

Převratný kosmický teleskop Jamese Webba by měl do kosmu odstartovat 24. prosince (aktualizace - kvůli větru byl nakonec start odložen na sobotu).  Co tento infračervený dalekohled prozradí o éře prvních hvězd a galaxií, které se formovaly krátce po velkém třesku? Nalezne ve vesmíru život a objeví černou díru přímo v naší sluneční soustavě? O historii a cílech mise jsme hovořili s Martinem Topinkou z Masarykovy Univerzity a Ústavu pro astrofyziku v Miláně, který se na vývoji teleskopu podílel.

Proč je potřeba vyslat do kosmu obří infračervený dalekohled?

Vesmír nemůžeme ve většině infračerveného oboru spektra pozorovat ze Země. Je to, jako bychom se chtěli dívat na hvězdy za bílého dne, a ještě dalekohledem složeným z rozsvícených žárovek. Infračervené záření je vlastně teplo, takže teleskop na zemském povrchu by registroval teplo vyzařované atmosférou, navíc vlastním slabým teplem by k pozorovanému signálu přispíval i dalekohled - vytvářel by šum. Proto je třeba celý přístroj vyslat do vesmíru a umístit daleko od Země. Webbův teleskop bude v takzvaném Lagrangeově bodě dva, 1,5 milionu kilometrů daleko, na spojnici Slunce a Země, kde se sluneční a zemská přitažlivost vyrovnává. Vlastně bude obíhat spolu se Zemí kolem Slunce.

Projekt velkého infračerveného kosmického teleskopu existuje od druhé poloviny 90. let, start byl tehdy plánován na rok 2007. Od té doby misi provázejí neustálé odklady a prodražování. Mají společnou příčinu?

Je těžké poslat tak velký a složitý přístroj do vesmíru. Jeho součástí je tepelný štít o rozloze tenisového kurtu, který by měl dalekohled jako obří slunečník chránit před zářením přicházejícím od Slunce a Země. Díky tomu budou moci infračervené detektory pracovat za teploty zhruba 40 až 50 Kelvinů (asi minus 230 až 220 stupňů Celsia). Tepelný štít ovšem musí kvůli své obří velikosti startovat ve složeném stavu a rozbalit se až ve vesmíru. Totéž platí pro zrcadlo dalekohledu o průměru 6,5 metru, které je složené z 18 šestiúhelníkových segmentů z berylia. Po startu se zrcadlo rozbalí jako origami. Nejde ale jen o velikost. Například jednotlivé segmenty zrcadla jsou potažené tenounkou vrstvou zlata tlustou jen asi 1000 atomů. Muselo být vyrobeno s takovou přesností, že kdyby mělo velikost Evropy, povolené nerovnosti by směly dosahovat jen velikosti krtince, tedy asi 20 až 30 centimetrů. Přístroj je zkrátka komplikovaný a jsou nutné důkladné testy, které trvaly léta.

Jaké to byly testy a jak probíhaly?

Kryotesty za nízkých teplot a také vibrační a akustické testy, aby bylo jasné, zda všechna ta zařízení přežijí hluk a vibrace při startu. Právě sluneční štít vykazoval při vibračních testech problémy, vypadaly například nějaké šroubky. Nejdřív se zdálo, že bude stačit změnit materiál úchytů, ale pak se ukázalo, že jsou nutné konstrukční změny. Při jedné z kontrol také vyšlo najevo, že mnoho navržených testů neproběhlo a je potřeba je udělat. A k jednomu z nedávných odkladů došlo kvůli tomu, že když dalekohled technici na kosmodromu ve Francouzské Guayaně instalovali na raketu, uvolnila se kotvící lana - a buď způsobila nebezpečné vibrace, nebo dokonce jedno z nich do dalekohledu bouchlo. Bylo pak nutné vše znovu zkontrolovat. Když nedávno přistávala na Marsu sonda Perseverance, zažilo řídící středisko sedm minut hrůzy, než přišlo potvrzení, že se přistávací manévr zdařil. Tentokrát to bude několik týdnů hrůzy, během nichž se bude dalekohled ve vesmíru rozbalovat a chladnout na provozní teplotu. Do cílového Lagrangeova bodu dva dorazí zhruba po čtyřech týdnech.

Cena projektu se z původně odhadované půl miliardy dolarů vyšplhala na deset miliard. Zároveň bývá James Webb označován za dosud nejvýznamnější kosmický dalekohled všech dob. Čím je tak důležitý?

Je dosud největší a nejcitlivější. Zaznamenal by teplo vyzařované čmelákem na Měsíci. Rozlišení je takové, že by mohl pozorovat fotbalový míč na vzdálenost 500 km. Měl by nám umožnit pohlédnout dále v čase než Hubbleův kosmický dalekohled, blíže k velkému třesku, a například ukázat, jak vznikaly a jak vypadaly první galaxie.

Vesmír je starý necelých 14 miliard let. Jak blízko k velkému třesku pohlédneme?

Veřejnost zná snímky z Hubbleova dalekohledu, takzvané Hubble Deep Field, hluboké pole. Jsou na nich vidět mimo jiné i červené tečky, což jsou velmi vzdálené galaxie v podobě, v jaké existovaly asi 400 milionů let po velkém třesku. Má se ale za to, že nejsou úplně nejstarší, mají už za sebou nějaký vývoj. Webbův teleskop by měl pohlédnout ještě hlouběji do minulosti vesmíru, kam Hubble dohlédnout nemohl, protože funguje hlavně v pásmu běžného viditelného světla. Jak se ale vesmír rozpíná, vlnová délka světla hvězd a galaxií se posouvá do infračerveného oboru. Proto se objevil nápad vyrobit velký infračervený dalekohled a umístit jej do kosmu.

Jak první galaxie mohly vypadat?

Zdaleka ne tak hezky jako první spirální galaxie, ty se objevily mnohem později. Čím dál jdeme do raných období vesmíru, tím jsou galaxie méně pravidelné. Jsou to jakési bloby. Velkým překvapením ovšem bylo pozorování z teleskopu ALMA v Chile, který detekoval extrémně vzdálenou, tedy velmi starou spirální galaxii. Není jasné, jak mohla tak hezká spirální struktura vzniknout tak rychle po velkém třesku.

Kdy se zformovala?

Webbův teleskop by měl spatřit první galaxie staré pouhých 200 - 250 miliónů let po velkém třesku. Vznikaly po období temna, kdy ještě žádné hvězdy ve vesmíru nezářily. Vlastně by tedy dalekohled mohl pozorovat jakési kosmické svítání. Ta prastará galaxie s náznaky spirální struktury, o které jsem mluvil, je pozdějšího data, zhruba 1,4 miliardy let po velkém třesku.

Uvidíme i první hvězdy?

První galaxie by se měly skládat z první generace hvězd, které se nelogicky, z historických důvodů, říká populace tři – jsou to nejstarší hvězdy, které ještě nikdo nikdy neviděl. Předpokládá se, že byly velmi hmotné, složené hlavně z vodíku a helia, prvků hojných po velkém třesku. Jednu izolovanou hvězdu asi neuvidíme, pouze kdybychom měli mimořádné štěstí a objevili zákryt takové hvězdy kupou galaxií, fungovala by kupa jako gravitační čočka, která obraz hvězdy zesílí. Mohli bychom pak zahlédnout i jednu z prvních hvězd vůbec.

Co ještě bychom mohli vidět?

Webbův teleskop by nám měl také ukázat galaxie v různých časových epochách, takže budeme moci sledovat, jak se vyvíjejí. Chtěli bychom například zjistit, jak vznikaly velmi hmotné galaxie. Srážkami jiných galaxií? A jakou roli v tom hrály černé díry? Víme, že supermasivní černé díry jsou v centrech galaxií, mají ale často hmotnost příliš velkou na to, aby během trvání existence vesmíru stihly na sebe nabalit a pozřít tolik hmoty, kolik skutečně mají. Zdá se tedy, že supermasivní černé díry musely vzniknout srážkami menších černých děr právě při kolizích galaxií. Nedávno jsem viděl studii, podle níž je i naše Mléčná dráha výsledkem několika srážek menších galaxií. Bylo by zajímavé se dozvědět, jak srážky supermasivních černých děr probíhají, co se děje, když se k sobě dva tak hmotné objekty přiblíží.

Co nám Webbův teleskop prozradí o exoplanetách, planetách obíhajících kolem jiných hvězd?

Dalekohled bude mít koronograf, jakési stínítko, které zastíní mateřskou hvězdu, takže uvidíme exoplanetu, která kolem ní obíhá. Kontrast mezi světlem hvězdy a planety je mnohem menší v infračerveném pásmu než v optickém, což je výhodné. Kromě toho Webbův teleskop bude pořizovat spektra planet - když planeta přechází mezi námi a hvězdou a světlo hvězdy září skrz atmosféru planety, vidíme absorpční čáry, které prozradí, jaké složení atmosféra má. Umožní nám to zjistit, jestli v ovzduší planety nejsou biomarkery, které by mohly znamenat přítomnost života: metan, kyslík, ozon, oxid uhličitý a voda. Všechny tyto molekuly a prvky jsou viditelné právě v infračerveném oboru, proto je těžké je pozorovat ze Země.

Aby svědčily o přítomnosti života, musí se vyskytovat pohromadě, je to tak?

Ano. Například kyslík a metan spolu velmi reagují, takže pokud v atmosféře uvidíme obě tyto molekuly zároveň, něco je do ovzduší doplňuje, dodává. Mohl by to být živý organismus. Kromě exoplanet ale dalekohled může pozorovat i věci, o kterých vůbec nemáme tušení, nebo o nichž se pouze spekuluje. Jedním z cílů mise je zkoumat i tělesa v naší sluneční soustavě obíhající za drahou planety Neptun a zjišťovat, jestli existuje tajemná, dosud neobjevená planeta – devátá nebo desátá, podle toho, jestli počítáte Pluto. Podle některých vědců se projevuje gravitací, zatím se ji ale najít nepodařilo a objevily se dokonce názory, že může jít o malou černou díru obíhající kolem Slunce. Měla by mít hmotnost asi tak planety Neptun.

Kterou ze známých planet u jiných hvězd bude dalekohled například zkoumat?

Jedním z cílů je exoplaneta v obyvatelné zóně – tedy obíhající v takové vzdálenosti, že se na ní může vyskytovat kapalná voda – u nejbližší hvězdy Proximy Centauri. Proxima je ovšem červený trpaslík, což není dobrý kandidát na hvězdu, v jejíž blízkosti by se mohl vyskytovat život. Červení trpaslíci nejsou úplně přátelští, často bombardují okolí erupcemi a výrony nebezpečného záření. Planeta je navíc velmi blízko hvězdy, je s ní zřejmě slapově vázaná – přivrací k ní stále stejnou polokouli, stejně jako Měsíc vůči Zemi. Na přivrácené straně tedy musí být strašlivé horko, na odvrácené velká zima. Dalším cílem je mediálně známý systém TRAPPIST-1 v souhvězdí Vodnáře, což je hvězda, kolem níž obíhá sedm planet, z toho zřejmě tři v obyvatelné zóně. Teleskop prozkoumá i řadu jiných planet u dalších hvězd, které mají jen katalogová jména. Bude například zjišťovat, jak vypadají planety podobné velikostí Zemi - mají pevný povrch, nebo jsou to vodní světy? Střídají se tam roční období, jsou v atmosféře mraky?

Do několika let bychom tedy mohli najít planetu, která se podobá Zemi, má pevný povrch, je tam voda, oceán, biomarkery v ovzduší – tedy zřejmě život?

Statisticky je v celém pozorovatelném vesmíru planet, které se podobají Zemi a nacházejí se v obyvatelné zóně, více, než je na Zemi zrnek písku. Většina z nich je ale příliš daleko na to, abychom je mohli spatřit. Webbův teleskop se má během prvního roku zaměřit asi na 50 z nich. Budou to planety o něco větší než Země, které je jednodušší najít. Jestli na nich nalezneme život, nevím, ale z širšího hlediska je spíše otázkou kdy, než zda, život v kosmu objevíme. Osobně bych si moc přál, aby se nějaké biomarkery našly – je to můj dětský sen.

Astrofyzik Martin Topinka (45) se do projektu Webbova teleskopu zapojil v roce 2017 během postgraduálního pobytu v Irsku. Podílel se mj. na vývoji jednoho z detektorů označovaného MIRI (Mid-Infrared Instrument, byl vyvinut hlavně v Evropě), pro který vytvořil simulátor – počítačový program, který ukazuje, jak by pozorovaný objekt (galaxie, galaktické jádro, exoplaneta, černá díra a podobně) vypadal, kdyby byl pozorován Webbovým teleskopem. Nyní pracuje v Institutu pro astrofyziku v Miláně a do konce roku 2021 působí také v Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Masarykovy univerzity v Brně.