Sciencemag.cz
Doporučujeme
Česká účast v kosmických projektech zažívá v poslední době velký rozkvět. Naše know-how, šikovnost a nápaditost nechybí ani u těch vůbec nejvýznamnějších kosmických projektů ESA. První velkou misí ESA, která nás v nejbližší budoucnosti čeká, je mise JUICE, která bude zkoumat Jupiterovy měsíce a mimo jiné i to, jestli se pod jejich ledovými krustami nachází oceány slané vody. Další projektem je velká rentgenová observatoř ATHENA, která bude mít na své palubě nejkomplexnější a nejdražší vědecký přístroj, který kdy Evropa vyslala do vesmíru. A do třetice nebudou vědci a odborníci z České republiky chybět u mise LISA – první gravitační observatoře ve vesmíru, která spatří srážku dvou superhmotných černých děr.
Projekt LISA je dalším velkým krokem v době gravitační astronomie, která má pracovat ve 30. letech 21. století. Bude schopna pozorovat zejména gravitační vlny plynoucí ze sloučení supermasivních černých děr, která se odehrávají ve středech spojujících se galaxií. Zachytíme také hvězdné kompaktní objekty, jak obíhají okolo superhmotných černých děr a další fáze splynutí černých děr hvězdných hmotností.
LISA se bude skládat ze tří kosmických sond, které budou obíhat asi 60 milionů km za Zemí v sestavě téměř rovnostranného trojúhelníku o základně asi 2,5 miliónu km. Laserové paprsky emitované a detekované jednotlivými kosmickými sondami budou měřit časové zpoždění způsobené průchody gravitačních vln mezi kosmickými sondami. Očekává se, že mise bude trvat 4 až 10 let podle úspěšnosti mise.
LISA, gravitační observatoř ve vesmíru
Na projektu spolupracují Astronomický ústav, Fyzikální ústav, Ústav fyziky atmosféry a Ústav termomechaniky Akademie věd ČR v rámci projektu podpořeného z programu PRODEX Evropské kosmické agentury ESA. Na více podrobností o projektu LISA jsme se zeptali Jiřího Svobody, vědeckého pracovníka Astronomického ústavu Akademie věd ČR, který zde má na starosti odbornou spolupráci na mezinárodních kosmických misích, určených k vědeckému výzkumu vesmíru.
Jiří, jak byste popsal pojem gravitační astronomii?
Astronomie je věda, pomocí které zkoumáme nebeská tělesa a vesmír prostřednictvím pozorování. Dosud se tato pozorování odehrávala pomocí dalekohledů zachycujících světlo nebo obecně záření, které je ve své podstatě elektromagnetickým signálem. Od roku 2015, kdy se poprvé podařilo zachytit signál gravitačních vln, je však možné se o vesmíru dozvědět zcela jiným způsobem. Gravitační astronomií lze nazvat nový obor astronomie, kdy vesmír zkoumáme prostřednictvím gravitačních vln.
Jak takové gravitační vlny vlastně vznikají?
Gravitační vlny se vytváří, když dochází k velkému urychlování hmoty. To se děje například při srážce dvou hmotných černých děr. Než se černé díry srazí a splynou v jednu velkou černou díru, nejprve okolo sebe velmi rychle obíhají a jak se přibližují, tak se urychlují. Při takové události se pak uvolní velké množství energie, které natahuje prostor v jednom a pak zase v druhém směru. Tato náhlá porucha se pak v podobě gravitační vlny začne šířit do okolního vesmíru.
Jaká je budoucnost gravitační astronomie?
Současné pozemské observatoře dokáží zachytit srážky černých děr, vzniklých gravitačním zhroucením těžkých hvězd. Tyto černé díry mají hmotnost několik desítek hmot Sluncí. Víme ale i o černých dírách mnohem větších rozměrů a hmotností. Superhmotné černé díry že v centrech galaxií váží až miliardkrát víc než naše Slunce a mají rozměry jako celá Sluneční soustava. Jak se tyto černé díry zrodily? K tomu právě potřebujeme laboratoř pro měření gravitačních vln ve vesmíru – tedy kosmickou misi LISA. Ta by nám měla pomoci odhalit srážky superhmotných černých děr a odpovědět na otázku, jak a kdy vznikly.
Jak se Češi na misi LISA konkrétně podílí?
K tomu, aby LISA gravitační vlnu zachytila, bude sestávat ze tří modulů umístěných ve vrcholech rovnostranného trojúhelníku. Tyto moduly budou mezi sebou neustále vysílat laserový svazek. Ve chvíli, kdy projde gravitační vlna, prostor se v jednom směru natáhne a v druhém zkrátí. Na laseru to budeme pozorovat tak, že v jednom směru přijde signál dřív nebo později. Pro úspěch mise je klíčové, že lasery budou fungovat a že se příliš nerozběhnou na vzdálenost více než 2 milionů km. Aby nemohlo dojít k selhání, každý modul bude mít hned dva zdroje laserových paprsků. Češi se v mezinárodním konsorciu zavázali, že dodají mechanismus, který dokáže mezi zdroji laserových svazků přepínat a to velmi citlivě a podle potřeby i mnohokrát opakovaně – tzv. Fibre Switch Unit Actuators.
V čem je mechanismus Fibre Switch Unit Actuators unikátní?
Takový mechanismus musí mít vysokou přesnost natáčení v jednom i druhém směru, kterou zajistí tzv. piezo aktuátory. Dále musí být z materiálu, který odolá teplotním výkyvům i radiaci v kosmu, musí vydržet start rakety a zároveň neovlivňovat okolní přístroje. Vše se navíc musí vejít do velmi omezeného prostoru na optické lavici. Každý detail tohoto mechanismu, včetně řídící elektroniky, musí být důmyslně navržen, vyroben v čistých prostorách a každý vyrobený kus navíc intenzivně testován.
Kdo jsou a na čem aktuálně pracují členové tzv. Prague Relativity Group?
Pražská relativistická skupina v rámci projektu LISA je skupina odborníků se zájmem o vědecké cíle mise LISA. Sestává z odborníků na teorii relativity a astrofyziků, kteří zkoumají černé díry nebo neutronové hvězdy pomocí astronomických pozorování. Někteří členové této skupiny aktivně přispívají do popisu vědeckých cílů mise a sdružují se v mezinárodních pracovních skupinách vědeckého konsorcia LISA. Například v rámci konsorcia zkoumáme, jak silné gravitační vlny budou vyvolávat kompaktní objekty, jako jsou stelární černé díry nebo neutronové hvězdy, když budou obíhat kolem superhmotné černé díry.
Do jakých dalších projektů je Akademie věd aktuálně zapojena?
V oblasti kosmického výzkumu jsme v rámci Akademie věd propojeni v programu Strategie AV 21 Vesmír pro lidstvo. Na programu se podílí 12 ústavů a jsme zapojeni do mnoha projektů. Například se jedná o mise zkoumající Slunce, sluneční vítr a kosmickou radiaci. Dále jsme zapojeni do průzkumných misí k planetám a dalším tělesům ve Sluneční soustavě.
Pracujeme také na analýze dat z dálkového průzkumu Země, podílíme se na mezinárodních astronomických misí zkoumající exoplanety nebo vzdálené galaxie a černé díry.
Který projekt hodnotíte z pohledu zapojení Akademie věd za nejúspěšnější?
Kosmické projekty na AV ČR mají bohatou historii a za úspěšné projekty se budou jistě považovat zejména ty, které přinesly důležitá vědecká měření. Lidé si mohou například vzpomenout na úspěšné mise Magion. Významný posun v možnostech však přinesl vstup ČR do Evropské kosmické agentury ESA v roce 2008. Od té doby máme možnost přímo se podílet na prvotřídních vědeckých misích se špičkovou technologií v bohaté mezinárodní spolupráci. V tomto směru bych vyzdvihnul Solar Orbiter, misi určenou ke zkoumání Slunce a slunečního větru. Tato mise úspěšně odstartovala v únoru 2020. Na palubě má deset vědeckých přístrojů a na čtyřech z nich je přitom nějaká součást vyvinutá a vyrobená v ČR – například precizně vybroušené zrcadlo dalekohledu nebo přístroje, které přímo na místě analyzují rádiové a plazmové vlny.
Na vývoji jakých dalších přístrojů se Akademie věd podílela nebo podílí?
Mezi věhlasné přístroje patří například české radiační detektory na mezinárodní vesmírné stanici. Pro misi ExoMars zase Češi vyvinuli přístroj, který bude poprvé zkoumat, jestli vznikají blesky v marťanských prachových bouřích. U tohoto přístroje bylo obzvláště zajímavé vymyslet mechanismus, který dokáže v podmínkách na Marsu rozvinout anténu. Na celkové přípravě přístroje se podílely hned čtyři ústavy AV ČR. Těch zajímavých projektů je celá řada a ve výčtu bych mohl pokračovat.
Jiří Svoboda
Vědecký pracovník Astronomického ústavu Akademie věd ČR (ASÚ AV ČR). Astronomii a astrofyziku vystudoval na matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy (MFF UK). Po doktorském studiu získal prestižní fellowship v Evropské kosmické agentuře (ESA). Ve svém výzkumu se zabývá rentgenovou astronomií, zejména pozorováním černých děr v centrech aktivních galaxiích. Na ASÚ má také na starosti odbornou spolupráci na mezinárodních kosmických misích, určených k vědeckému výzkumu vesmíru. Zajistil a řídí českou účast na velkých misích ESA, jako jsou rentgenová observatoř Athena nebo observatoř LISA na měření gravitačních vln z vesmíru. Je koordinátorem výzkumného programu Strategie Akademie věd Vesmír pro lidstvo. Vede juniorský vědecký tým zkoumající černé díry napříč hmotností. Spolupracuje s univerzitami na výchově studentů a věnuje se také popularizaci astronomie a kosmického výzkumu. Je držitelem ceny Bernarda Bolzana udělované MFF UK, Fričovy prémie od ASÚ AV ČR a Wichterleho prémie od AV ČR.
