Sbohem, Arecibo!

Film Zlaté oko z roku 1995 vrcholí tím, že James Bond sjíždí po gigantickém betonovém teleskopu ukrytém v tropických lesích karibského ostrova. Krátce nato se dostane na plošinu s přístroji zavěšenou vysoko nad talířovou anténou a z ní shazuje zlého padoucha, který zázračně přežije stometrový pád. Zabije ho nakonec až obrovská exploze, při níž se zavěšená plošina zřítí do talíře, zatímco náš hrdina uniká k zapadajícímu slunci.

Jako mnoho návštěvníků, kteří na observatoř Arecibo přijíždějí poprvé, i já jsem si o ní na základě Zlatého oka vytvořil určité představy, přestože film přistupoval ke skutečnosti zjevně velmi volně. Když jsem tam v roce 2007, pár měsíců po zahájení svého doktorského programu, poprvé přijel, byl jsem naivně přesvědčen, že talířová anténa určitě musí být z betonu, i když se patrně nevynoří z jezera jako ve filmu. Nikoho nenapadlo mě upozornit, že beton není zrovna vhodný materiál pro odrážení rádiových vln. Ve skutečnosti talíř tvoří přibližně 38 000 hliníkových desek; překvapením také bylo, když mě obsluha teleskopu ujistila, že se pod třísettunovou plochou reflektoru dá docela dobře chodit. Shora se anténa radioteleskopu o průměru 305 m skutečně zdá neprůhledná jako beton, jenže zespodu jsou v ní vidět otvory (snižující její hmotnost), díky nimž vypadá skoro průsvitně.

Naneštěstí finále Zlatého oka nyní působí téměř prorocky. Asi v osm hodin ráno místního času 1. prosince 2020 definitivně povolila poškozená lana nesoucí devítisettunovou plošinu a následná destrukce slavného teleskopu nebyla o nic méně dramatická, než jak by ji nafilmoval Hollywood. Pro astronomii to znamená těžkou ztrátu, ale pro nás, kteří jsme tam žili a pracovali, je obzvlášť bolestné sledovat záznam zkázy. Jako by vám někdo zčista jasna řekl, že váš dům shořel.

Katastrofa ovšem nepřišla úplně nečekaně. Ještě ani neskončily opravy po hurikánu Maria (2017), když se loni v srpnu utrhlo jedno z lan ukotvujících plošinu k nosným pilířům. Po internetu sice široce kolovala efektní fotografie poškození, ve skutečnosti však utrpěla jen malá část talíře. Větší znepokojení než poničení reflektoru, k němuž byl poměrně snadný přístup a dal se relativně lehce opravit, vyvolal fakt, že uvolněné lano způsobilo posunutí celé plošiny.

Na Arecibu není nic malé nebo jemné. Plošina nesla nejen přijímací zařízení, ale i sekundární a terciární reflektory, které byly samy stejně velké jako jiné radioteleskopy. Celá plošina, od základny kupole Gregoryho konstrukce až po vrchol nosného trojúhelníku vysoká 34 metrů, byla zavěšena ve výšce 138 metrů nad talířovou anténou v místě jejího ohniska. Napětí kotvících lan nesoucích masivní konstrukci bylo obrovské. Bylo jich však osmnáct, každé o průměru asi jako lidská paže, takže se předpokládalo, že celý systém má značnou rezervu. Názory se však radikálně změnily, když v listopadu prasklo druhé lano (jen při 60 % předpokládaného mezního zatížení) – teď už nešlo o harmonogram oprav nebo o to, dokončit pozorování, ale o přežití samotného zařízení.

Když byla odhalena další poškození lan, rozhodnutí vyřadit teleskop z provozu už nebylo velkým překvapením. Oprava teleskopu byla jednoduše nemožná, protože hrozil vznik nadkritických pnutí, při kterých by konstrukce mohla v kterémkoli okamžiku povolit. Přesto když nakonec přišla zpráva o zhroucení teleskopu, bylo to jako dostat pěstí do břicha.

Proč Arecibo?

Skutečně unikátní observatoř dělala z Areciba jeho víceúčelovost. Existují jiná zařízení pro studium atmosféry, pro hledání pulzarů, detekci vzdálených galaxií a pozorování planetek. Žádné však nedokáže toto všechno najednou a nikdo pravděpodobně žádné srovnatelné v blízké budoucnosti nepostaví pokud vůbec někdy. Pro pochopení důvodů si musíme trochu přiblížit, jak radioteleskopy fungují.

Většina moderních radioteleskopů je postavena jako soustava malých „antén“, z nichž každá je samostatným teleskopem. Praktickou výhodou je, že malé antény se staví daleko snáz a mohou stát kilometry od sebe. S využitím metody zvané interferometrie mohou být jednotlivé antény propojeny tak, že se dosáhne stejného rozlišení, jaké by měl teleskop o velikosti rovnající se té největší vzdálenosti, která od sebe dělí kterékoli dva teleskopy soustavy. To znamená, že mohou rozlišit vzdálené galaxie do pozoruhodných detailů. Navíc se dá povrch malého teleskopu vyrobit s extrémní přesností, což přijímačům umožňuje pracovat na vysokých frekvencích. Zatímco rozlišení určuje, jaké podrobnosti dané struktury můžete detekovat, frekvence diktuje, jaký materiál tam především uvidíte. Na vyšších frekvencích se lépe identifikují známky molekulárního vodíku, který se považuje za klíčovou složku při tvorbě hvězd. A menší teleskopy lze samozřejmě namířit jakýmkoli směrem, zatímco ty obří, nepohyblivé, se musí spokojit s prohledáváním úzkého proužku oblohy nad sebou.

Za použití soustavy teleskopů jako interferometru se nicméně platí krutá daň: podstatná ztráta citlivosti. Je to mnohem horší, než by se z rozdílů ve velikosti sběrných ploch dalo čekat. Například radioastronomická observatoř Very Large Array v Novém Mexiku má ve srovnání s Arecibem asi pětinovou celkovou sběrnou plochu, její citlivost je však odhadem téměř tisíckrát menší. Kvůli velké vzdálenosti antén totiž interferometr funguje tak, jako byste se dívali klíčovou dírkou: vidíte nejmenší struktury, ale unikají vám rysy celku. Zato jediná anténa připomíná spíš otevřené okno: spatříte struktury všech velikostí. Z toho plyne, že pro detekci těch vůbec nejméně zřetelných prvků – které jsou ovšem často nejzajímavější – se Arecibu nic nevyrovnalo.¹⁾

Odkaz radioteleskopu

Autor článku na pozorovací plošině.Snímek archiv autora

Pod hlavním reflektorem. Svislé kabely udržují správný tvar disku, vodorovné díly v pravém dolním rohu jsou staré vodiče signálu používané pro spojení mezi anténou a přijímačem.Snímek Rhys Taylor

Konstrukce Areciba měla i další výhody. I když mu těžká plošina nakonec přinesla zkázu, dovolila instalovat radarové vysílače umožňující trojrozměrné zobrazení planetek a dalších těles Sluneční soustavy, stejně jako výzkum atmosféry naší vlastní planety. Radar dosáhl dokonce až k Saturnu, což je hranice daná nikoli citlivostí přístroje, ale dobou putování vln vysílaných radarem: kdyby letěly ještě o kousek dál, Arecibo by v důsledku zemské rotace nemohlo mířit na svůj cíl dost dlouho na to, aby zachytilo vracející se signál.

Arecibo rozhodně nebylo nefunkční ani se nepřežilo. Nedávná modernizace atmosférického radaru představovala ve skutečnosti jen jedno z několika plánovaných vylepšení celé observatoře. Největší pozornost z nich by si bývala zasloužila „rádiová kamera“ AO40, která by několikanásobně zvýšila rychlost prohledávání při detekci galaxií.

Veškeré obří teleskopy jsou svými vlastními prototypy – a 57letá historie Areciba byla známkou dlouhotrvajícího vývoje, nikoli zastaralosti. Všechny dalekohledy jsou do jisté míry vyrobené na zakázku a všechny mají silné stránky i slabiny. Ačkoli nic takového jako dokonalý teleskop neexistuje, Arecibo po sobě díky své konstrukci zanechává výrazný odkaz v podobě vědeckých úspěchů. V roce 1967 posloužilo ke změření periody rotace Merkuru, která se tehdy považovala za vázanou (takže jeho „den“ by byl stejně dlouhý jako jeho rok, což je 88 pozemských dnů, a na jedné polokouli Merkuru by byl věčný den a na druhé věčná noc). Leč radar Areciba ukázal, že tomu tak není, že Merkur se ve skutečnosti otáčí kolem své osy jednou za pouhých 59 dnů – což je základní poznatek o Sluneční soustavě, který nyní pokládáme za nesporný. Neustálá vylepšování planetárního radaru přinesla první snímky povrchu Venuše (1981), důkazy o uhlovodíkových jezerech na největším Saturnově měsíci Titanu (2003), snímky jádra komety (2006) a umožnila zpřesnit měření oběžných drah několika potenciálně nebezpečných planetek (v průběhu druhého desetiletí tohoto století).

Planetární objevy se však neomezovaly pouze na naši vlastní Sluneční soustavu. Ze zcela odlišné linie výzkumu vyplynula nečekaná souvislost. Pulzary jsou rychle rotující neutronové hvězdy, pozůstatky zhroucených hvězd daleko hmotnějších než naše Slunce. Rychlá měřitelná rotace těchto těles umožňuje s výjimečnou přesností určit jejich orbitální parametry. První taková pozorování pocházejí už z roku 1968, což je pouze rok po objevu pulzarů v Jodrell Bank ve Velké Británii. V roce 1982 výzkumy na Arecibu odhalily pulzary s rotačními periodami trvajícími pouhých několik milisekund. O deset let později sledování jednoho takovéhoto milisekundového pulzaru zjistila nepravidelnosti v jeho rotační periodě, které byly vysvětleny existencí tří malých planet – jedna z nich je nejméně hmotnou exoplanetou, jaká byla kdy objevena, ještě méně hmotnou než Měsíc. Jednalo se nejen o první nalezené exoplanety vůbec, ale vzhledem k tomu, že obíhají kolem jádra mrtvé hvězdy, také o jedny z nejpodivnějších.

V roce 1974 vedla pozorování pulzarů k vůbec nejslavnějšímu objevu Areciba – prvního binárního pulzaru.²⁾ Russel Hulse a Joseph Taylor změřili změny periody oběhu a potvrdili, že přesně odpovídají emisím gravitačních vln, jak je předpovídá obecná teorie relativity. Šlo o nejpřímější důkaz gravitačních vln až do jejich detekce pomocí laserového interferometru LIGO v roce 2016 (Vesmír 95, 288, 2016/5) a Hulse s Taylorem za svou práci získali roku 1993 Nobelovu cenu (Vesmír 73, 11, 1994/1). Díky pozorováním pulzarů hrálo Arecibo až do svého konce přední úlohu při pátrání po gravitačních vlnách.

Co se týče vzdálenějších objektů, Arecibo teprve začínalo. Koncem osmdesátých let minulého století dokázalo přispět k prvním velkorozměrným mapám rozložení galaxií, avšak instalace nových detektorů v roce 2004 ho změnila ve výkonný výzkumný nástroj. Od té doby už zmapovalo ve vysokém rozlišení vodík v Mléčné dráze, detekovalo ho ve více než 30 000 galaxií (včetně jeho vůbec nejvzdálenější detekce na základě emisních čar neutrálního vodíku zářícího na vlnové délce 21 cm) a zmapovalo rozsáhlé proudy a další struktury, které nemají snadno vysvětlitelný původ. Význam těchto objektů z hlediska kosmologie stále ještě málo chápeme, takže teď bude úkolem dalších pozorování pokusit se je vysvětlit.

A toto všechno je nádavkem k asi nejznámějšímu uplatnění Areciba: pátrání po mimozemských civilizacích. V roce 1974 posloužil radar k vyslání slavného „arecibského poselství“ – pečlivě vytvořené zprávy, do níž byly zakódovány informace o životě na Zemi. Roku 2012 National Geographic tento experiment zopakoval v modernějším (třebaže méně sofistikovaném) provedení, když vyslal twitterové zprávy od široké veřejnosti. Rozběhla se i pasivnější pátrání pomocí modernějšího technického vybavení a Arecibo se stalo jedním z hlavních zdrojů dat pro populární projekt SETI@home. Běžel v letech 1999–2020 a využíval spořičů obrazovky, které si každý mohl instalovat doma na svůj osobní počítač. Zatím sice nebyly objeveny žádné signály mimozemské civilizace, ale… kdo ví? Možná se ukrývají hluboko v hromadě signálů a čekají jen na ty správné prostředky, které je odhalí.

Přístrojová plošina od návštěvnického centra v roce 2013. Tkanina chrání znovu natřenou část zařízení před vnějšími vlivy.Snímek Rhys Taylor

Národní poklad

Arecibo nikdy nebylo pouhým pracovištěm. Stalo se i zdrojem velké hrdosti Portoričanů, jeho návštěvnické centrum přivítalo každoročně skoro 100 000 hostů. Po celý rok běžely rovněž studentské projekty a vědci z řad zaměstnanců pomáhali všem od středoškoláků až po hostující univerzitní profesory. Mezi nejúspěšnější projekty se zařadil každoroční program Výzkumné zkušenosti pro vysokoškoláky, v jehož rámci mohli doktorandi celé léto pracovat na malých výzkumných projektech, které zahrnovaly i praktická pozorování teleskopem. Pro řadu z těchto studentů se pak astronomie stala profesí. Dvakrát ročně nabízely letní školy studentům intenzivní týdenní kurz radioastronomie, přičemž vidět více než dvacítku napůl opilých studentů a profesorů (kteří se snažili – spíš v blahé naději než s reálným očekáváním – shromáždit skutečně kvalitní vědecká data), jak nacpaní v řídicí místnosti naslouchají pulzarům, byl zvlášť pamětihodný zážitek.

Smrtí teleskopu ale celý příběh nekončí. Velká část jeho dat stále ještě čeká na plné využití a nové údaje se často silně opírají o ty staré. Moje nejčerstvější publikace se zakládá na opětovném rozboru úplně prvních dat, která jsem získal už v roce 2007. S tím, jak si osvojujeme stále sofistikovanější techniky analýzy dat, bude prohledávání rozsáhlého archivu pozorování nepochybně přinášet nové objevy po celé další roky, ne-li desetiletí. Vliv objevů a zkušeností z Areciba na pracovní osudy lidí hned tak brzy nepomine.

A víc než to – Arecibo skutečně měnilo životy lidí. Málo dalekohledů má to štěstí, že si zahrají v hollywoodských trhácích; v poněkud intelektuálnějším filmu Kontakt z roku 1997 hrálo Arecibo opět přední roli – tentokrát jako vědecké zařízení, jímž skutečně bylo. Poznal jsem nejméně jednoho vědce, kterého tento film přímo ovlivnil natolik, že se z něho nejen stal astronom, ale fakticky na Arecibo přesídlil. Observatoř byla místem vědy, ale také kultury – objevila se ve filmech, v románech i písních, hostila též svatby a jeden zvlášť nadšený vědec si dokonce nechal vytetovat Arecibem získaná data z pulzarů. Těžko najít jakýkoli jiný pozemní dalekohled, který by se stal větším idolem. Jeho ztrátou přijdeme o daleko víc než jen o vědecká data. Bude se nám po něm stýskat.

Přeložila Jana Olivová

Autor zpracovává pozorování radioteleskopem Arecibo v Astronomickém ústavu AV ČR v rámci grantu GAČR 19-18647S.