Atómy, ktoré nás formujú, vznikli v umierajúcich hviezdach. Sme vesmír, ktorý skúma sám seba, hovorí astrofyzik

Ján Šubjak sa výskumne venuje objektom mimo našej slnečnej sústavy. „Keď si zoberieme, že vo vesmíre sú miliardy galaxií a v každej galaxii sú miliardy hviezd, tak by bolo ozaj plytvaním priestoru, ak by sa tam nikde nevyskytoval život,“ hovorí v rozhovore.

Vedec pôsobí ako postdoktorand v Centre pre astrofyziku Harvardskej univerzity a Smithsonovho inštitútu, ktoré patrí k najväčším výskumným centrám na svete.

V rozhovore sa okrem iného dozviete:

• ako vedci hľadajú život v iných galaxiách;
• prečo sa svetlo pri cestovaní rozpínajúcim sa vesmírom „naťahuje“;
• ako vyzerá život Slnka a prečo raz pohltí Zem;
• ako mohli vodu na Zem priniesť asteroidy.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Skúmate život vesmírnych telies mimo našej planetárnej sústavy, ktoré sú pre ľudskú myseľ nepredstaviteľne ďaleko. Nepripadá vám popri tom dianie na Zemi či v slnečnej sústave trochu malicherné?

Je to zaujímavá filozofická otázka. Čím viac sa venujem vesmíru a dozvedám sa o javoch, ktoré viedli k vzniku života na Zemi, tým viac si našu planétu vážim. V porovnaní s tým sa mi niektoré situácie, ktoré tu ako ľudia spôsobujeme, naozaj zdajú trochu malicherné. Ale asi to k ľudstvu, ktoré má aj svoje dobré stránky, patrí.

Jedným z vašich vedeckých záujmov sú exoplanéty, čiže planéty mimo našej slnečnej sústavy. Tie boli objavené až v 90. rokoch minulého storočia. Prečo nám to tak dlho trvalo?

Predpovedané boli oveľa skôr. Podľa planét z našej slnečnej sústavy sme predpokladali, že aj v blízkosti iných hviezd sa nachádzajú malé kamenné planéty ako Zem a vo väčšej vzdialenosti od hviezdy sú to plynné obry ako Jupiter. No prvý objav exoplanéty v okolí hviezdy podobnej Slnku nastal naozaj až v roku 1995. Išlo o planétu 51 Pegasi b a nedávno bola za ňu udelená Nobelova cena za fyziku. Problém bol v tom, že predchádzajúce technológie neboli dostatočne vyspelé na to, aby sme tieto planéty vo vesmíre našli.

Ako sa to vedcom nakoniec podarilo?

Na toto hľadanie sa používa takzvaná metóda radiálnych rýchlostí. Skúma pohyb hviezdy spôsobený planétou, ktorá okolo nej obieha. Zaznamenať takýto jemný pohyb je veľmi náročné, ale už vieme, ako na to. Vďaka tomu sme objavili prvú takúto planétu – je to veľký plynný obor, ktorý za niekoľko dní obehne v malej vzdialenosti okolo svojej hviezdy. Dnes poznáme veľkú skupinu takýchto exoplanét, ale ešte pred pár rokmi to bolo niečo nepredstaviteľné.

Ďalší spôsob, akým hľadáme exoplanéty, je skenovanie veľkej časti oblohy a sledovanie jasnosti hviezd, keď exoplanéta prejde z nášho pohľadu popred disk hviezdy a „zatieni ju“. Jasnosť hviezdy sa môže meniť aj z iných dôvodov, ale minimálne tak vieme nájsť kandidáta na exoplanétu, ktorého potom ďalej pozorujeme.

Tranzit exoplanéty popred hviezdu. Zdroj – NASA Ames

Čo všetko vieme z takýchto planét zistiť o dianí v ďalekom vesmíre?

Závisí to od metód, ktoré použijeme. Zo spomínanej metódy radiálnych rýchlostí vieme odvodiť hmotnosť planéty, ktorá závisí od hmotnosti hviezdy. Z poklesu jasnosti hviezdy zase vieme odvodiť jej polomer. Keď už poznáme hmotnosť a polomer, dokážeme odvodiť aj jej hustotu, takže vieme skúmať jej zloženie.

Rozumiem, prečo chcú vedci zistiť polomer planéty či jej hmotnosť, ale čo sa z toho dozvieme o svete okolo nás my laici?

Napríklad vieme, že Zem, jej hmotnosť a dokonca aj množstvo vody na Zemi boli ovplyvnené hmotnejšími planétami v našej slnečnej sústave, ako sú Jupiter či Saturn. Takže potrebujeme poznať zloženie celého vzdialeného hviezdneho systému, aby sme dokázali modelovať jeho vývoj a hocičo, čo sa v ňom deje.

Sú už dnes známe potenciálne exoplanéty, na ktorých by mohli byť podmienky na život?

Hľadanie života na planétach podobných Zemi je najpopulárnejšou otázkou v súvislosti s exoplanétami. V súčasnosti hľadáme a pozorujeme exoplanéty podobné Zemi v takzvanej obývateľnej zóne. To je zóna v okolí hviezdy, v ktorej sa za určitých podmienok môže nachádzať voda v tekutej forme.

Keď máme hviezdu podobnú nášmu Slnku, vieme, že jej obývateľná zóna bude ďalej – niekde vo vzdialenosti Zeme od Slnka. No menšie hviezdy budú mať obývateľné zóny oveľa bližšie. Rádovo to bude od nej iba niekoľko dní. Takýchto hviezd poznáme oveľa viac, a preto sa sústreďujeme najmä na skúmanie exoplanét v obývateľnej zóne menej hmotných hviezd.

Ako zisťujete, či tam sú podmienky na život alebo nie?

V prvom rade z jej vzdialenosti od hviezdy. Druhý spôsob je výskum atmosféry konkrétnej exoplanéty. Z jej zloženia vieme, či by tam mal život, ako ho poznáme, teoretickú šancu prežiť.

Je podľa vás život na Zemi vzácny alebo keď sa pozrieme na veľkosť vesmíru a počet potenciálnych exoplanét, bude relatívne bežný?

Asi by som začal populárnym výrokom: Keby sme boli jediná planéta so životom, tak by to bolo nesmierne plytvanie miestom.

Priblížiť to môžem aj výskumom, ktorý sa týkal ešte Hubblovho vesmírneho teleskopu. Myslím si, že to bol riaditeľ misie, ktorý mal vyhradený istý čas na pozorovanie oblohy pomocou tohto ďalekohľadu. Rozhodol sa ho venovať snímaniu zdanlivo čiernej a prázdnej časti oblohy, od čoho ho veľa ľudí odhováralo. Tvrdili, že je to plytvanie času na takomto skvelom a drahom prístroji. No on sa nedal a dokonca ponúkol svoju rezignáciu, ak pozorovania nedopadnú úspešne. Neskôr, keď vyšli konkrétne snímky z pozorovaní, sa ukázalo, že v tejto zdanlivej ničote oblohy sa ukrývajú stovky až tisíce galaxií.

To bol vlastne aj prvý ikonický obrázok z ďalekohľadu Jamesa Webba, ktorý je Hubblovým nasledovníkom a pozoroval tú istú časť oblohy. Keď si zoberieme, že vo vesmíre sú miliardy galaxií a v každej galaxii sú miliardy hviezd, bolo by ozaj plytvaním priestoru, ak by sa tam nikde nevyskytoval život.

Takmer každý rozhovor o skúmaní vesmíru sa skôr či neskôr dotkne otázky potenciálneho života vo vesmíre mimo Zeme. Prečo nás táto otázka tak fascinuje?

Je to asi naša prirodzená zvedavosť. Asi každý by chcel definitívne vedieť, či sme vo vesmíre sami. Aj preto venujeme toľko času skúmaniu vesmíru a zisťovaniu, čím všetkým si musela naša Zem prejsť, aby tu bol možný život. My sme vlastne takisto také pozostatky po hviezdach, pretože atómy, ktoré nás formujú, vznikli v umierajúcich hviezdach. Z tohto hľadiska sme vlastne vesmír, ktorý skúma sám seba.

Takže všetci sme vlastne hviezdni ľudia.

Dá sa to tak povedať.

Akú veľkú časť vesmíru poznáme alebo do nej dokážeme minimálne nazrieť?

Sme limitovaní konečnou rýchlosťou svetla. Svetlu trvá istý čas, kým k nám príde. Ak je nejaký objekt vzdialenejší a svetlo, ktoré vyžaruje, k nám ešte nestihlo doraziť, tak ho jednoducho nevidíme. Takže náš pozorovateľný vesmír je obmedzený touto vzdialenosťou.

Technologickou novinkou vo vesmíre je už spomínaný ďalekohľad Jamesa Webba. Čo od neho podľa vás môžeme v najbližšej budúcnosti očakávať?

Na rozdiel od svojho predchodcu Hubblovho teleskopu pozoruje ďalekohľad Jamesa Webba vesmír v iných vlnových dĺžkach svetla. Zatiaľ čo Hubble pozoroval v ultrafialovej a viditeľnej oblasti, James Webb sa posunul do tej infračervenej.

Práve to je veľmi užitočné pri sledovaní vzdialených objektov, keďže vesmír sa rozpína, takže aj vlnová dĺžka cestujúceho svetla sa naťahuje. Čiže aj keď nejaká vzdialená galaxia vysiela svetlo vo viditeľnej alebo v ultrafialovej oblasti, tak kým k nám dorazí, je v tej infračervenej. A čím dlhšie svetlo cestovalo rozpínajúcim sa vesmírom, tým je posun väčší. Vďaka tomu, že ďalekohľad Jamesa Webba toto svetlo dokáže zachytiť, už dnes skúma galaxie, ktoré vznikli len niekoľko stoviek miliónov rokov po veľkom tresku.

Čo vidíte na snímkach, ktoré vám teleskop sprostredkuje, a ako snímky preklápate do podoby zrozumiteľnej aj ľudskému oku?

Na ďalekohľade Jamesa Webba je viacero prístrojov, čiže závisí od toho, ktorý použijeme. Môže to byť fotometrický prístroj, ktorý pozoruje jasnosti objektov. Keď chceme robiť nejaké zložitejšie merania, použijeme spektrograf, ktorý rozloží svetlo na konkrétne vlnové dĺžky. Z nich dokážeme skúmať napríklad vlastnosti atmosféry. Napríklad vieme, že naša atmosféra je pre viditeľné svetlo priechodná. Ale infračervené svetlo molekuly vodnej pary absorbuje. Takže skúmanie atmosfér exoplanét pomocou infračerveného svetla nám môže pomôcť zistiť konkrétne zloženie atmosféry pozorovanej exoplanéty.

Jednou z vašich špecializácií sú aj takzvané hnedé trpaslíky, ktoré ste označili za svoje najobľúbenejšie objekty. Prečo?

Veľa pozornosti sa venuje exoplanétam a hviezdam, ale ony toho nemajú toľko spoločného. Hnedé trpaslíky sú takým premostením medzi týmito objektmi. Nie sú dosť hmotné na to, aby vnútri seba zapálili vodíkovú termonukleárnu fúziu tak, ako to robia hviezdy, no zároveň zapália jadrovú reakciu pre deutérium (ťažký vodík – pozn. red.), čo nerobia exoplanéty. Z tohto pohľadu sú iné.

Ich definícia je založená čisto na hmotnosti, hoci sa často hovorí, že nie je úplne fundamentálna. Predstavte si objekt, ktorý sa formuje, nasáva plyn zo svojho okolia a „nevie“, pri akej hmotnosti skončí. Takže nevieme povedať, či to je hnedý trpaslík alebo exoplanéta. Preto by definícia pomocou fundamentálnejšieho procesu, akým je formácia, bola vhodnejšia. V súčasnosti sa preto venujem skúmaniu týchto „tranzitujúcich hnedých trpaslíkov“ a určeniu toho, ako sa formovali.

Odkiaľ pochádza názov hnedý trpaslík?

O hnedých trpaslíkoch sa teoretizovalo oveľa skôr a bolo jasné, že žiaria v dlhších vlnových dĺžkach ako hviezdy. Sú totiž chladnejšie a neprebiehajú na nich termonukleárne reakcie ako pri hviezdach. Takže by pre ne bolo vhodné aj meno červený trpaslík, no to už bolo rezervované pre najmenej hmotné hviezdy. Tak sa z nich stali hnedé trpaslíky.

Hnedý trpaslík je teda prechodom medzi hviezdou a planétou. Ako vyzerá život hviezd a planét a kde sa prelínajú?

Začnem životom exoplanéty. V okolí hviezdy býva takzvaný protoplanetárny disk. Je to vlastne disk plný prachu a plynu, z ktorého sa formuje jadro exoplanét a planét. Keď je to jadro dostatočne hmotné, začne nasávať plyn vo svojom okolí a sformuje sa veľký plynný obor. Samozrejme, časový vývoj exoplanét je určený aj rôznymi interakciami s objektmi v okolí. Ak ich je napríklad viac, niektoré môžu byť vyvrhnuté zo systému. Ale v nejakom konečnom štádiu sa ten systém stabilizuje, podobne ako sa to stalo v slnečnej sústave, kde máme planéty pekne obiehajúce okolo hviezdy.

Ďalší vývoj exoplanéty súvisí s vývojom hviezdy. Napríklad naše Slnko spaľuje vodík, a keď sa zásoby vodíka v jeho centre minú, začne spaľovať hélium. Vtedy sa jeho atmosféra začne zväčšovať, zmení sa na červeného obra a pohltí Zem. Ale to je ešte stále miliardy rokov vzdialený moment. Keď potom dôjde tomuto obrovi všetko palivo, nezostáva už žiaden faktor, ktorý by vzdoroval tomu gravitačnému. Jeho „obálka“ sa začne zmršťovať, narazí na jadro a odrazí sa do vesmíru. Tak vznikne explózia, ktorú voláme supernova, a po hviezde zostane iba veľmi husté jadro – biely trpaslík –, prípadne neutrónová hviezda. No a ak bola hviezda pri formovaní výnimočne hmotná, vznikne z nej čierna diera.

Keď spomínate explózie – vedci nedávno zaznamenali doteraz najväčšiu explóziu vo vesmíre, ktorá prebiehala už asi tri roky. Prečo si ju všimli až teraz?

Tento objav som zachytil, ale nepoznám úplne podrobnosti. Viem iba to, že explózia sa postupne zjasňovala, až si ju pozorovania nakoniec všimli. Zaujímavé je, že sa to nedalo vysvetliť tým, že ide o umierajúcu hviezdu, supernovu. Navyše supernovy väčšinou trvajú len niekoľko mesiacov a toto už trvá niekoľko rokov. Takže otázne je, čo explóziu spôsobilo.

Jednou z možností je, že to bola hviezda, ktorá sa dostala veľmi blízko čiernej diery, čo ju vlastne roztrhalo. Tento materiál sa potom zahrieval a vyžaroval veľké množstvo svetla, ktoré vedci zachytili. Lenže takáto hviezda by musela mať až nejakých 15 hmotností Slnka, čo nie je veľmi pravdepodobné. Druhá teória, ktorú vedci navrhli, vraví, že šlo o nejaký plyn v okolí čiernej diery. Takýto plyn okolo nej rotuje na pomerne stabilnej orbite, takže muselo dôjsť k nejakému narušeniu, po ktorom začal na čiernu dieru padať. Takže sa uvažuje o tom, že to mohla spôsobiť zrážka dvoch galaxií, ktorá túto neaktívnu čiernu dieru aktivovala.

Čierna diera je aj uprostred našej galaxie. Nehrozí nám, že by sme sa k nej nejakým spôsobom v budúcnosti priblížili? Či už o pár rokov, alebo o niekoľko miliónov rokov?

Naša čierna diera je ďaleko a je pomerne neaktívna, čiže nepohlcuje veľa plynu v okolí. Aby sme sa k nej v budúcnosti posunuli bližšie, muselo by dôjsť k javom, ktoré dnes považujeme za sci-fi. Napríklad cestovanie pomocou červích dier alebo niečo podobné.

Astronómiu popularizujete aj na Instagrame, kde riešite napríklad to, odkiaľ sa na Zemi vzala voda. Aké máme momentálne teórie?

Keďže vodík má rôzne izotopy, poznáme ľahkú a ťažkú vodu, ktoré majú rozličné zloženie. Ľahká voda má dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. V ťažkej vode je jeden atóm vodíka nahradený deutériom. A keďže ľahká a aj ťažká voda sa formujú za iných podmienok, môžeme skúmať pomer týchto vôd v našich oceánoch a porovnávať ho s inými telesami v slnečnej sústave. Na základe toho sa zistilo, že náš pomer je zhodný s telesami v hlavnom páse asteroidov. Jedna z možností teda je, že voda prišla na Zem vďaka zrážkam s týmito asteroidmi.

Druhá teória hovorí, že pomery vôd na Zemi sa mohli časom meniť. Vieme, že veľké množstvo „pôvodnej“ vody je uložené v zemskom plášti vo forme minerálov. Pri sopečnej činnosti sa tieto uložené molekuly vodíka a kyslíka dostávajú na povrch v podobe vodnej pary. Vedci preto skúmali vzorky zo sopečných kráterov napríklad na Havaji a zistili, že pomer pôvodnej vody, ktorá prišla zvnútra Zeme, sa líši od toho, ktorý máme v súčasnom oceáne.

Z toho sa predpokladá, že časť vody sa dostala na Zem pri formovaní Zeme z medzihviezdnej hmloviny, z ktorej sa formovalo aj Slnko. Časť vody z tejto hmloviny bola uložená vnútri Zeme vo forme minerálov a postupnou sopečnou činnosťou sa dostala na povrch. Takže pravdepodobne sú naše zdroje vody z asteroidov aj z plášťa Zeme.

Je pre moje telo nejaký rozdiel, či sa napijem z pohára s ľahkou alebo ťažkou vodou?

Majú síce rozličné chemické zloženie, ale nemyslím si, že by to na nás malo nejaký zásadný efekt. Na Zemi je ľahkej vody oveľa viac ako tej ťažkej. Čiže ak by som mal piť čisto ťažkú vodu, nebol by som si istý dôsledkami. Ale voda, ktorá sa k nám dostane, je už zmiešaná v pomere, v ktorom jednoznačne prevyšuje ľahká voda.

Vieme vodu tak, ako sme ju získali, aj nenávratne stratiť?

Strata vody býva spôsobená napríklad aktivitou primárnej hviezdy. Ak vyžaruje veľa röntgenového a gama žiarenia, toto žiarenie spôsobuje vyparovanie planetárnej alebo exoplanetárnej atmosféry. Preto je v okolí exoplanét menej hmotných a aktívnych hviezd otázne, či vôbec môžu mať atmosféru alebo by sa vyparila.

Takže z tohto dôvodu by sa veľké množstvo vodnej pary mohlo stratiť do vesmíru. Na druhej strane jeden z potenciálnych zdrojov vody na Zemi sú asteroidy, takže by sme mohli dostať dodatočne nejakú vodu späť na Zem.

Momentálne pôsobíte ako postdoktorand v Centre pre astrofyziku Harvardovej univerzity a Smithsonovho inštitútu a v minulosti ste študovali na Karlovej univerzite. Plánujete po vypršaní grantu návrat do Česka, prípadne na Slovensko, alebo budete hľadať cesty, ako zostať v zahraničí?

Súčasťou postgraduálneho grantu, ktorý momentálne čerpám, je, že strávim dva roky v Amerike a tretí rok v Česku. Takže na ten tretí rok sa budem musieť vrátiť. Čo bude potom, neviem, lebo v astronómii je ťažké plánovať. Kým nezískate na nejakej univerzite stabilnú pozíciu, nikdy neviete, kam vás budúcnosť zavedie. Väčšinou strávite pár rokov v jednej krajine a pár rokov v ďalšej a tak ďalej. Takže nič neplánujem.