Kozmická geriatria
Vidíme ich, no už miliardy rokov neexistujú. Títo „duchovia“ oblohy patria k pozostatkom mladosti nášho vesmíru. Ďalšími sú hviezdni a planetárni matuzalemovia, takmer takí starí ako vesmír samotný.
Kategóriu najstaršieho objektu vesmíru možno chápať vo dvoch odlišných významoch: môže ísť o skutočných matuzalemov, to znamená telesá existujúce mnohé miliardy rokov – pri hľadaní takýchto objektov nemusíme pátrať v závratných kozmických diaľkach a aj tak narazíme na relikty z ranej mladosti nášho vesmíru. A môže ísť o veľmi vzdialené telesá, akýchsi „duchov oblohy“. Vesmír je gigantické miesto. Také gigantické, že svetlo, ktoré pred miliardami rokov vyžiarili jeho extrémne vzdialené objekty, doputovalo k Zemi (a vpadá do teleskopov astronómov) až dnes. Takéto objekty nezriedka dávno zanikli. Pozorujeme takpovediac ich prastarú projekciu. Alebo lepšie povedané, nazeráme do hlbokej minulosti, do čias dávno pred vznikom Zeme a Slnka. Mimochodom, na pohľad do minulosti postačí obyčajné pozdvihnutie zraku na nočnú oblohu. Keď tak urobíte, väčšinu hviezd budete vidieť v podobe, v akej sa nachádzali počas poslednej doby ľadovej.
Svetelné roky
V článkoch o objavoch najvzdialenejších objektov kozmu sa médiá často dopúšťajú rovnakého omylu. Pri telesách, ktorých svetlo k našej planéte putovalo napríklad 10 miliárd rokov, uvádzajú, že sú od nás vzdialené 10 miliárd svetelných rokov. Na prvý pohľad sa takéto tvrdenie zdá celkom v poriadku. Napokon, od „veľkého tresku“ ubehlo zhruba 13,7 miliardy rokov. Keďže sa podľa fyzikálnych zákonov dva telesá nikdy nemôžu od seba vzďaľovať rýchlejšie, ako je rýchlosť svetla, žiadne dva objekty vesmíru by nemali byť od seba ďalej ako 13,7 miliardy svetelných rokov. Je tu však háčik. Hoci sa dve telesá v priestore môžu od seba vzďaľovať iba touto pevne stanovenou maximálnou rýchlosťou, vo vesmíre neustále a rovnomerne vzniká nový priestor. A to aj medzi nimi. Z tohto dôvodu počiatočná vzdialenosť medzi dvomi telesami, ktorú svetlo (pravdaže, rýchlosťou svetla) pokorí za desať miliárd rokov, narastie. Počas púte svetelných lúčov sa zväčší na asi 22 miliárd svetelných rokov. Inak povedané, medzi oboma telesami vznikne počas presunu svetla z jedného telesa na druhé nový priestor so šírkou mnohých miliárd svetelných rokov (nie však pätnástich).
Pozostatok inej galaxie
V našom kozmickom susedstve pozorujeme vo vzdialenosti asi 13 svetelných rokov prastarú, potenciálne obývateľnú exoplanétu. Volá sa Kapteyn b a obieha okolo červeného trpaslíka. Planetárny systém je približne 11,5 miliardy rokov starý, teda takmer dvaapolkrát starší ako slnečná sústava. Samotná Kapteyn b je asi 4,5-krát hmotnejšia ako Zem. Mohlo by ísť o oceánsku „superzem“ alebo, čo je pravdepodobnejšie, plynného trpaslíka. Planéta a jej materská hviezda podľa všetkého prešli mimoriadne turbulentnou minulosťou. Chemické zloženie tohto červeného trpaslíka totiž naznačuje, že teleso pôvodne tvorilo súčasť guľovej hviezdokopy Omega Centauri. Tá je pravdepodobne pozostatkom trpasličej galaxie, s ktorou sa v minulosti Mliečna cesta najprv zrazila a potom ju postupne pohltila.
Planéta Matuzalem
Vo vzdialenosti 12.000 svetelných rokov od Slnka obieha planéta PSR B1620-26 b, prezývaná Matuzalem. Na rozdiel od Zeme neobieha okolo jednej, ale až dvoch hviezd. Lepšie povedané, okolo dvoch pozostatkov mŕtvych hviezd. Jedno z telies je bielym trpaslíkom, extrémne stlačeným jadrom, ktoré zostáva po výbuchu malých hviezd. Dosahuje asi tretinovú hmotnosť Slnka, no je iba o čosi väčšie ako Mesiac. Druhé teleso je pulzarom, jadrom mŕtvej hviezdy, ktoré bolo stlačené ešte viac. Pri jeho kolapse došlo k rozlámaniu samotných atómov, výsledkom čoho vzniklo neuveriteľne husté, no zároveň drobné teleso s priemerom pár kilometrov. Na pozostatok mŕtvej hviezdy je teleso stále veľmi aktívne – okolo vlastnej osi sa otáča rýchlosťou sto otočiek za sekundu. Obe telesá, pulzar aj biely trpaslík, sú od seba v približne rovnako vzdialené, ako Zem od Slnka. Sústava v dávnej minulosti zrejme obsahovala ešte tretieho člena, druhého bieleho trpaslíka, ktorý sa z nej napokon gravitačne odpútal, resp. bol gravitačne vyhodený.
Toto kuriózne zoskupenie dvoch drobných extrémne hustých telies obieha PSR B1620-26 b vo vzdialenosti zodpovedajúcej obežnej dráhe Uránu okolo Slnka. Planéta je plynný obor, 2,5-krát hmotnejší ako Jupiter. Keďže je nepravdepodobné, aby akákoľvek planéta prežila premenu hviezdy na pulzar, ktorú sprevádza obrovská explózia, podľa astrofyzikov PSR B1620-26 b pôvodne obiehala okolo jedinej hviezdy. Tej, z ktorej časom vznikol biely trpaslík. Toho neskôr aj s jeho planétou gravitačne zachytil pulzar. Planéta PSR B1620-26 b je podľa výpočtov astrofyzikov stará približne 12,7 miliardy rokov.
Prastarí kozmickí giganti
Kvazary, aktívne galaktické jadrá, poháňané supermasívnymi čiernymi dierami, patria medzi najväčšie a najjasnejšie objekty kozmu. Zároveň ide o kuriozity z najmladších čias nášho vesmíru, ktorých svetlo k nám letelo miliardy rokov. Kvazar ULAS J1120+0641 napríklad vidíme tak, ako vyzeral pred 13 miliardami rokov. Kým jeho svetlo dosiahlo Zem, vzdialenosť medzi súčasnou Zemou a týmto dnes už dávno zaniknutým telesom narástla na 28,85 miliárd svetelných rokov. Ide o najvzdialenejší, a teda aj najstarší známy kvazar. Teleso je asi šesťdesiat biliónov ráz jasnejšie ako Slnko, pričom čierna diera v jeho centre musí dosahovať hmotnosť dvoch miliárd Sĺnk. Na čiernu dieru z takého vzdialeného vesmírneho praveku je to veľmi veľa. Znamená to, že vznikla spojením tisícok menších čiernych dier alebo po smrti z neobvykle hmotnej superhviezdy.
Poslovia z počiatku
29. apríla 2009 Zem zasiahol čudesný záblesk gama žiarenia označený ako GRB 090429B. O dva roky neskôr sa ukázalo, že k Zemi putoval asi 13,14 miliardy rokov, čím sa stal v čase spozorovania najstarším zaznamenaným objektom vôbec. Za vznikom žiarenia môžeme hľadať smrť hviezdy, ktorá existovala iba asi 600 miliónov rokov po veľkom tresku a dosahovala tridsaťnásobne väčšiu hmotnosť ako Slnko. Okrem lúča gama žiarenia jej smrť sprevádzal aj vznik novej čiernej diery.
Svoju materskú galaxiu, označenú MACS0647-JD, opustilo svetlo, ktoré v súčasnosti dopadá na Zem, ešte dávnejšie – sotva 400 miliónov rokov po veľkom tresku. Dnes túto galaxiu teda pozorujeme v podobe, v akej vyzerala pred 13,3 miliardami rokov. Objaviť sa ju podarilo pomocou špeciálneho teleskopu CLASH, ktorý vďaka fyzikálnemu efektu zvanému gravitačná šošovka využíva mimoriadne hmotné kopy galaxií ako prídavné kozmické teleskopy, zväčšujúce objekty, nachádzajúce sa za nimi. Objekt MACS0647-JD je v súčasnosti najhorúcejším kandidátom na najvzdialenejšiu známu galaxiu. Či si tento titul naozaj vydobyje, zostáva zatiaľ neisté. Stále by totiž mohlo ísť aj o protogalaxiu.
Naproti tomu o povahe štruktúry UDFj-39546284 máme jasno. Je to protogalaxia, teda obrovský mrak plynu, v ktorom sa rodia nové hviezdy a z ktorého sa časom vytvára galaxia. Konkrétnejšie, UDFj-39546284 bola malá kompaktná protogalaxia, plná modrých hviezd. Minulý čas sme použili preto, že zdroj svetla, ktorý k nám putoval viac ako 13,4 miliardy rokov, dnes dávno neexistuje. Štruktúra objavená na prelome rokov 2009 a 2010 sa nachádzala v podobe, v akej ju vidíme na Zemi dnes, približne 380 miliónov rokov po veľkom tresku. V súčasnosti nás od nej delí viac ako 30 miliárd svetelných rokov vesmírnej prázdnoty.
Vesmírny starec
Opäť sme „takmer doma“. Vo vzdialenosti približne 6.000 svetelných rokov od Zeme sa nachádza hviezda SM0313. Keďže zloženie hviezd sa odráža v povahe ich elektromagnetického žiarenia, astronómovia pomocou tzv. spektroskopickej metódy odhalili pozoruhodnú skutočnosť. SM0313 neobsahuje takmer žiadne železo – oproti nášmu Slnku ho obsahuje približne miliónkrát menej. Čo sa zdá ako nepríliš zaujímavá kuriozita, má v skutočnosti ďalekosiahle dôsledky pre interpretáciu veku telesa. Prvé hviezdy mladého vesmíru menili vo svojich útrobách vodík na hélium. Až počas ich explózie vznikli dostatočne vysoké teploty a tlaky na vznik malého množstva ťažších prvkov, napríklad uhlíka alebo železa. Z plynno-prachového pozostatku (hmloviny), obohateného uhlíkom a železom, sa neskôr vytvorili ďalšie hviezdy. Ako cyklus vzniku a zániku hviezd pokračoval, novo vznikajúce hviezdy obsahovali čoraz vyššie zastúpenie ťažkých prvkov. „Moderné“ hviezdy, ako napríklad Slnko, sú preto svojím zložením celkom odlišné od SM0313.
Takmer nulový obsah ťažkých prvkov naznačuje, že teleso vzniklo v úplných počiatkoch cyklu hviezdneho vzniku a zániku. Podľa výpočtov astrofyzikov sa tak stalo pred asi 13,6 miliardami rokov, iba sto až dvesto miliónov rokov po vzniku nášho vesmíru. Hviezd rovnakého typu, patriacich do tzv. populácie II, poznáme viacero. Ani jedna však nie je taká stará ako SM0313. Ako je možné, že napriek svojmu veku SM0313 stále nevybuchla? Životnosť hviezd závisí od ich veľkosti. Kým najväčšie „umierajú“ po menej ako milióne rokov, tie drobnejšie sa môžu dožiť niekoľkých biliónov rokov.
Osamelí titani
Poznáme niečo ešte staršie, ako 13,6 miliardy rokov starú hviezdu SM0313? Áno. Je to reliktné mikrovlnné žiarenie. Toto elektromagnetické žiarenie k nám prichádza z vesmíru zo všetkých smerov a poskytuje unikátnu možnosť nahliadnuť do žeravej éry, keď od veľkého tresku uplynulo iba asi 400.000 rokov. V tomto čase neexistovali žiadne hviezdy. Zdanlivé machule na mape žiarenia v skutočnosti predstavujú relikty horúceho plynu, ktorý krátko po vzniku nášho vesmíru rapídne expandoval. Niektoré oblasti plynu boli hustejšie, ako iné. A práve tu počas nasledovných miliónov rokov vznikli prvé hmotné objekty. Nešlo o galaxie. Z kozmologických modelov vyplýva, že namiesto nich spočiatku existovali iba supermasívne hviezdy, patriace do zatiaľ nepotvrdenej populácie III. Bežne dosahovali hmotnosť viac ako 120 Sĺnk. Kozmom putovali osamote, vnorené do záhadnej tmavej (temnej) hmoty a od iných podobných objektov boli vzdialené stovky ak nie tisícky svetelných rokov. Žiarenie týchto osamelých titanov sa astronómom objaviť nepodarilo. Zatiaľ. Jeho detekcia zostáva jednou z veľkých výziev pre astronómov budúcnosti.
Určovanie vzdialenosti
Ako zistiť vzdialenosť objektu, ktorý sa nachádza ďaleko za hranicami slnečnej sústavy? Tak ďaleko, že svetlu, ktoré putuje najvyššou možnou rýchlosťou, akú dovoľujú fyzikálne zákony, trvá celé roky, ba až desiatky rokov, než k nám doletí?
* Na prvý pohľad sa táto úloha zdá nemožná. Ale nie je. Pre objekty vzdialené menej ako 400 svetelných rokov stačí jednoduchá metóda, zvaná triangulácia.
* Astronóm najprv dvakrát zmeria uhol, pod ktorým pozoruje hviezdu, a to v časovom odstupe šiestich mesiacov. Za tento čas sa naša planéta kvôli obehu okolo Slnka posunie o 186 miliónov km. Aby zistil vzdialenosť Zeme od danej hviezdy, postačí mu potom vypočítať dĺžku strán pomyselného trojuholníka, ktorého jedna strana meria 186 miliónov km a ďalšie dve s ňou zvierajú vyššie uvedené, v priebehu pol roka namerané uhly.
* Ale čo s hviezdami, ktoré sú ďalej ako 400 svetelných rokov, teda tak ďaleko, že počas obehu Zeme okolo Slnka nedochádza ku zmene uhlu ich pozorovania? Astronómovia majú po ruke ten istý princíp, ktorý nám umožňuje odhadnúť v noci, ako ďaleko sa nachádza približujúce sa auto.
* Pokiaľ je vozidlo blízko, zdroje jeho svetiel vyzerajú väčšie a jasnejšie. Naopak, pokiaľ je ďaleko, zdajú sa menšie a slabšie. Problém je, že rôzne hviezdy svietia rozlične intenzívne, a tak môžu na oblohe neďaleké malé a tmavé hviezdy vyzerať podobne ako vzdialenejšie veľké a jasné hviezdy.
* Našťastie, metódou triangulácie vedci opakovane potvrdili predpoklad, že farebné spektrum hviezdy spoľahlivo indikuje jej skutočnú jasnosť. Astronómovia tak pri vzdialených hviezdach najprv určia farbu, z nej odvodia pôvodnú jasnosť a potom z tohto poznatku vyrátajú približnú vzdialenosť.
Ako dlho prežijú?
Najväčšie hviezdy: Menej ako 100.000 rokov
Stredne veľké hviezdy (napríklad Slnko): 10 miliárd rokov
Najmenšie hviezdy (červení trpaslíci): Niekoľko biliónov rokov (1-3 x 1012, teda 1.000.000.000.000 až 3.000.000.000.000)
Biely trpaslík (pozostatok výbuchu malej hviezdy): Prinajmenšom biliardu (1015) rokov
Svetlo (fotóny): Trilión rokov (1018)
Životnosť atómov (kvôli rozpadu neutrónov, ktoré ich tvoria): 800 kvintiliónov (800 x 1032) až sto sextiliárd rokov (100 x 1039)
Čierna diera hmotná ako Slnko: 2 undeciliónyrokov (1066)
Supermasívne čierne diery a aktívne galaktické jadrá: 10 septedeciliárd rokov (10 x 10105)
Vesmír (v prípade scenára veľkého roztrhania, exponenciálne sa zrýchľujúceho rozpínania): Menej ako 34 miliárd rokov (zostáva okolo 20 miliárd rokov)
Dušan Valent
foto NASA, SITA, archív