Exoti nebeského bestiáře

Před 50 lety byly objeveny pulsary. Dveře k nim otevřel rozvoj radioastronomie a cesta vedla přes objev kvasarů. Připomeňme si ty úžasné časy.

Ve vědě platí, že každá nová pozorovací metoda přinese ze začátku žeň objevů. Po dalekohledu či mikroskopu se totéž projevilo i v radioastronomii. Ta se začala významněji rozvíjet po druhé světové válce: zprvu díky radarům propuštěným z vojny, později zásluhou speciálních výzkumných radioteleskopů (v podstatě citlivých přijímačů milimetrových až desetimetrových elektromagnetických vln).

Prvním úkolem etablující se „astronomie neviditelna“ byla orientační prohlídka radiové oblohy. První radioteleskopy však nebyly dost přesné, dokázaly rozlišit jen zdroje vzdálené od sebe více než jeden úhlový stupeň, to na obloze odpovídá kruhu o průměru dvou měsíčních úplňků (radiové zářiče ležící uvnitř této oblasti pro pozorovatele splývaly v jeden).

Vyšší rozlišení si žádalo více než stometrové antény, což tehdy bylo technicky i ekonomicky neúnosné. Britský astronom Martin Ryle na problém vyzrál tak, že jednu obří anténu nahradil soustavou vhodně spřažených antén malých a během padesátých let minulého století dosáhl rozlišení tisíckrát lepšího, tedy několik úhlových vteřin.

Především díky Ryleovi vznikly první dva katalogy radiových zdrojů (1C a 2C), které ještě obsahovaly chyby, i katalog třetí, už spolehlivý 3C – The Third Cambridge Catalogue of Radio Sources, vydaný roku 1959. (V roce 1974 Martin Ryle dostal Nobelovu cenu.)

S katalogem 3C mohli astronomové přikročit k pokusům ztotožnit katalogizované radiové zdroje s optickými obrazy nebeských těles. Přitom se ukázala zajímavá věc: Mezi viditelnými kandidáty ve vymezené radiové oblasti nikdy nechyběla slabá, na pohled nápadně modrá (tudíž velmi žhavá) hvězda. A právě s takovou americký astronom Allan Sandage v roce 1960 identifikoval radiový zdroj s katalogovým číslem 3C-48 v souhvězdí Trojúhelníka. A hned se pokusil pořídit její spektrum.

Radiová mapa kvasaru 3C48, prvnímu zdroji z katalogu 3C, k němuž byl nalezen optický ekvivalent.
Snímek Mhardcastle, CC BY-SA 3.0

Nabrat použitelné spektrum hvězdičky o 16. zdánlivé hvězdné velikosti (tedy asi desetitisíckrát slabší než hranice viditelnosti očima) vyžaduje opravdu pořádný dalekohled. V našem případě posloužil ten největší, teleskop na Mount Palomaru v Kalifornii s průměrem zrcadla 5,1 metru. Výsledek však přivedl vědce do rozpaků. Poloha spektrálních čar totiž neodpovídala žádnému známému chemickému prvku a naopak čáry jakéhokoli známého prvku ve spektru chyběly. Podobně „z jiného světa“ vypadala i spektra dalších dvou radiových zdrojů ztotožněných s hvězdičkami 17. velikosti.

Pekla na nebesích

Nyní problém vrtošivých spekter opusťme, příběh nás k nim brzy zase vrátí.

Na den 5. srpna 1962 předpověděl britský astronom Cyril Hazard zajímavý úkaz: Měsíc měl při svém pohybu po obloze zakrýt radiový zdroj 3C-273 v souhvězdí Panny. Poněvadž polohu Měsíce známe v každém okamžiku velice přesně, lze z času zákrytu určit i přesnou polohu tohoto zdroje.

Jev měl být vidět pouze u protinožců. Hazard se tedy domluvil s kolegy u radioteleskopu v Parkesu v jihovýchodní Austrálii.

Za zmínku stojí už samotné přípravy. V době měření se zdroj záření měl nacházet velmi blízko obzoru, kam se radioteleskop běžně nedal sklonit. Proto museli astronomové před pozorováním odmontovat několik tun kovové konstrukce, aby anténu o průměru 63 metrů odlehčili a mohli bez rizika naklonit „přes míru“. Muselo také padnout několik stromů bránících výhledu. V okolí observatoře nesměla několik hodin jezdit auta, aby jejich zapalování nerušilo citlivé měření; naštěstí ten den byla neděle.

Sám Hazard cestou z Anglie nasedl v Sydney do špatného vlaku a kýžený zákryt prošvihl. Naštěstí ho zastoupili australští kolegové.

V určený čas signál skutečně zmizel a po výstupu zdroje zpoza Měsíce se znovu objevil.

Kvasar 3C-273 v souhvězdí Panny je historicky prvním objektem, identifikovaným jako kvasar, ve viditelné oblasti spektra je také nejjasnějším kvasarem.Snímek NASA

Průběh zákrytu v radiovém oboru byl nahrán na dvě pásky, které pak Hazard a australský vedoucí projektu John Bolton odvezli – pro jistotu – dvěma různými letadly na univerzitu v Sydney k vyhodnocení.

Australské pozorování vedlo k identifikaci zdroje s poměrně jasnou hvězdou 13. velikosti. Její spektrum první pořídil počátkem roku 1963 nizozemský astronom Maarten Schmidt opět na observatoři Mt. Palomar. A opět „nečitelné“.

Když si je ale počátkem února 1963 překresloval do chystané publikace, všiml si, že část čar svým rozložením připomíná spektrum vodíku, jen jejich vlnové délky byly o šestinu delší než normálně. Nabízelo se vysvětlení, že spektrum vodíku je silně zdeformováno dopplerovským rudým posuvem (ten pro běžné hvězdy činí nanejvýš 0,5 nanometru, zatímco tady dosahoval hodnoty 60-80 nm). Nebylo těžké vypočítat, že podle Dopplerova zákona se zdroj spektra vzdaluje od nás rychlostí 47 000 km/s. Takovým tempem se ale žádná hvězda v Galaxii nepohybuje, tak rychle se může vzdalovat jen galaxie vzdálená podle Hubbleova zákona asi 2,5 miliardy světelných let. Toto Schmidt publikoval v březnu 1963.

Objev rychlého vzdalování poskytl klíč ke čtení spekter dalších radiohvězd, kupříkladu dříve zmíněná hvězda 3C-48 se vzdaluje rychlostí 110 000 km/s, což odpovídá vzdálenosti asi čtyři miliardy let.

Novému typu vesmírných objektů se podle Sandageova návrhu začalo říkat kvazistelární radiové zdroje („kvazi“ proto, že sice vypadají jako hvězdy, ale hvězdy to nejsou). Na návrh amerického astrofyzika Hong-Yee Chiua se časem ujal akronym kvasar.

Kvasary lze i přes obrovskou vzdálenost poměrně snadno pozorovat (třeba 3C-273 je vidět už dvaceticentimetrovým dalekohledem), což vypovídá o jejich jasnosti – vykazují vizuální svítivost až 1015krát větší než u Slunce, zářivým výkonem převyšují naši Galaxii až desetitisíckrát, přičemž celý ten nepředstavitelný výkon se uvolňuje v objemu srovnatelném s naší planetární soustavou.

Zdrojem takové energie je zřejmě gravitační kolaps, tedy hroucení hmoty účinkem extrémní gravitace vyvolané obří černou dírou uprostřed kvasaru. (Zatímco termojaderná reakce ve hvězdách uvolňuje sotva jedno procento klidové energie hmoty, gravitace v kosmickém měřítku až 60 procent.)

Kosmické majáky

Kvasary se okamžitě staly středem pozornosti. Především k jejich výzkumu profesor Anthony Hewish s několika absolventy univerzity v britské Cambridgi vybudoval olbřímí radioteleskop schopný registrovat poměrně rychlé změny signálu kvasarů (intenzita záření kvasarů se mění vlivem průchodu různorodým prostředím mezi zdrojem v kosmu a detektorem na Zemi). Na ploše necelých dvou hektarů hewishovci vztyčili stovky stožárů a mezi nimi zavěsili přes dva tisíce dipólových antén, k jejichž propojení a oživení spotřebovali téměř 200 kilometrů drátů a kabelů, 200 transformátorů, 350 konektorů a 24 tisíc izolátorů. Tento vysoce organizovaný šrot začal fungovat v létě 1967.

Členkou týmu byla i čtyřiadvacetiletá Irka Jocelyn Bellová. Jako benjamínek v partě dostala za úkol tu nejotravnější práci – analyzovat radiové signály, které radioteleskop zachycoval při vstupní prohlídce oblohy. Chrlil denně přes 30 metrů záznamů, z nichž bylo třeba vyloučit signály lidského původu, ať už pocházely z kosmických družic, pozemních vysílačů nebo třeba automobilových startérů v blízkém okolí. Aby se žádná, i zdánlivě nevýznamná informace nepřehlédla, nešlo vyhodnocení alespoň pro začátek svěřit počítači.

Po několika týdnech, 6. srpna 1967, si Jocelyn všimla v zápisu zvláštních hrbolků. Tvarem, to už za tu dobu poznala, pranic nepřipomínaly rušení pozemského původu, navíc se zjevovaly vždycky jen v době, kdy radioteleskop sledoval oblast Mléčné dráhy (naší Galaxie) v souhvězdí Lištiček. Signál nemohl pocházet od kvasaru, protože se ozýval s velmi přesnou periodou (signály kvasarů kolísají).

Badatelé postupně vylučovali všechny další možné zdroje – třeba pozemské vysílání odrážené od Měsíce, nutně i signály mimozemských civilizací (žertovali o malém zeleném mužíčkovi, který chce s pohlednou mladicí randit na dálku). Nakonec se s rozumnou jistotou dobrali k přírodnímu zdroji kosmického původu.

Koncem listopadu 1967 Bellová zachytila signál takříkajíc v přímém přenosu: „Jak záznam ubíhal pod registračními pery, uviděla jsem, že signál se skládá ze série impulsů, které k mému překvapení byly od sebe všechny stejně vzdálené. Dělila je jedna celá a jedna třetina sekundy. Hned jsem zavolala Tonyho Hewishe…“

V následujících třech měsících našla s kolegy další tři pulsující radiové zdroje se stejnou hlavní vlastností: vydávaly radiové pulsy s přesností špičkových atomových hodin.

Po důkladném prověření profesor Hewish v únoru 1968 napřed oznámil objev na univerzitním semináři a vzápětí zveřejnil v časopise Nature. V roce 1974 za něj získal půl Nobelovy ceny (druhou polovinu dostal Ryle).

Dnes víme, že pulsar (pulsating star) je velmi hmotná, suprahustá, silně zmagnetizovaná neutronová hvězda, která své pravidelné radiové impulsy vydává díky rychlé rotaci kolem své osy (na způsob světelného majáčku).

Pulsar Vela ze souhvězdí Plachet, objevený v roce 1968.NASA, CXC, PSU, G. Pavlov et al., volné dílo

Mimochodem, právě pulsary se díky své jedinečnosti (každý „bliká“ s jinou přesnou frekvencí) hodí k orientaci ve vesmíru, takže kupříkladu zprávy na mezihvězdných sondách Pioneer 10 a 11 určují polohu našeho Slunce vzhledem ke čtrnácti konkrétním pulsarům.

Zlaté časy rádia

O dvou velkých objevech mladé radioastronomie – kvasarech a pulsarech – tu byla řeč. Objevem třetím z řádu největších bylo odhalení existence reliktního záření (roku 1964), jež potvrdilo hypotézu vzniku našeho vesmíru velkým třeskem.

Pro všechny zúčastněné to tehdy musely být úžasné časy…