Denník N

Slovák skúmal medzigalaktický plyn v súhvezdí Perzeus, štúdia vyšla v prestížnom časopise Nature

Stred kopy galaxií v súhvezdí Perzea. Foto – X-ray: NASA/CXC/IoA/A.Fabian et al.; Radio: NRAO/VLA/G. Taylor; Optical: NASA/ESA/Hubble Heritage (STScI/AURA) & Univ. of Cambridge/IoA/A. Fabian
Stred kopy galaxií v súhvezdí Perzea. Foto – X-ray: NASA/CXC/IoA/A.Fabian et al.; Radio: NRAO/VLA/G. Taylor; Optical: NASA/ESA/Hubble Heritage (STScI/AURA) & Univ. of Cambridge/IoA/A. Fabian

Slovenský astrofyzik mal na starosti analýzu dát z pozorovania kopy galaxií v Perzeovi.

„Ak by sme mali spraviť iba jedno pozorovanie, čo by to bolo?“ takúto otázku položil Tadayuki Takahashi, vedúci misie Hitomi, svojmu tímu.

Vedci si vybrali plyn v strede kopy galaxií v súhvezdí Perzea. Výsledky svojich zistení publikovali minulý mesiac v prestížnom časopise Nature.

Jedným zo spoluautorov článku je aj Slovák Norbert Werner, astrofyzik zo Stanfordovej univerzity v USA. Zodpovedný bol za vedeckú analýzu dát z pozorovania kopy galaxií v Perzeovi.

Výskumníci pozorovali vesmír družicou Hitomi. Vybavená bola tým najpresnejším röntgenovým teleskopom, aký bol doteraz zostrojený.

Lenže ďalšie merania už družica – stála 300 miliónov dolárov – nespraví. Šesť týždňov po začiatku plánovanej trojročnej misie viedla séria konštrukčných chýb k jej poškodeniu. Odpadli jej slnečné panely a rameno s detektormi tvrdého röntgenového žiarenia.

Kontakt s družicou stratili vedci na konci marca tohto roku. Japonská vláda nedávno schválila rozpočet na družicu Hitomi 2, do vesmíru poletí v roku 2020.

Medzigalaktický plyn

Prečo si vedci vybrali na skúmanie práve kopu v Perzeovi a čím sú ich zistenia zaujímavé? Treba si priblížiť celkový kontext.

Naša Zem je súčasťou slnečnej sústavy – 99,9 percenta z jej celkovej hmotnosti sa koncentruje v Slnku. Zvyšnú asi desatinu percenta tvoria planéty (z čoho Zem menej ako stotinu).

Všetko ďalšie, teda asteroidy, prach či plyn, je prakticky zanedbateľné.

IMG_5609
NORBERT WERNER je astrofyzik. Na Stanfordovej univerzite pôsobí od roku 2008. Študoval na Univerzite Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach.

Hviezdy sa spájajú a v miliardách tvoria galaxie. Podiel medzihviezdneho plynu nie je bezvýznamný – dosahuje až desatinu ich hmotnosti. Rovnako nie je bezvýznamná ani jeho úloha – práve z neho, pod vplyvom gravitácie, vznikajú hviezdy.

Pre úplnosť dodajme, že dominantný, až 90-percentný, podiel na hmotnosti galaxií má niečo, čoho zloženie vôbec nepoznáme.

Vylúčili sme, že ide o bežnú hmotu, vieme, že bežne neprichádza do styku so svetlom, a preto „to niečo“ voláme tmavá hmota. Ide o jednu z najväčších nevyriešených záhad vo fyzike.

Vesmírne pavučiny

Galaxie sa spájajú do štruktúry, ktorá pripomína vesmírnu pavučinu, pričom najhustejšie oblasti, kopy galaxií, sa nachádzajú na spojniciach vlákien.

Bežne ich tvoria stovky až tisíce galaxií, no až desaťnásobne väčší príspevok do hmotnosti má medzigalaktický plyn, ktorý tak zohráva významnú úlohu v dynamike vesmíru. Poďme si ho trochu priblížiť.

Plyn v kopách je odlišný od toho, čo si človek pod týmto pojmom bežne predstaví. Nezáleží tu tak na chemickom zložení ako na teplote, ktorá dosahuje desiatky miliónov stupňov, či koncentrácii, ktorá je iba pár tisíc častíc na kubický meter – atómy tak medzi vzájomnými zrážkami preletia aj niekoľko svetelných rokov.

Large-scale_structure_of_light_distribution_in_the_universe
Vesmírna pavučina. Foto – Wikimedia/cc

Vysoká teplota, nízka koncentrácia

Vďaka vysokej teplote je plyn ionizovaný (elektróny sú odtrhnuté od jadier), pri zrážkach tak dochádza k vyžarovaniu röntgenového svetla.

Vďaka nízkej koncentrácii plynu sa z neho takmer nič nezachytí – opustí kopu a voľne letí vesmírom, až kým nedorazí na Zem, kde ho zachytávame.

Vysoká teplota bráni tomu, aby sa pod vplyvom gravitácie začal plyn stláčať a vytvárať nové hviezdy. Ako si ju dokáže udržať aj napriek tomu, že stále prichádza o energiu röntgenovým vyžarovaním? Tu vstupuje do hry ďalší významný hráč.

Čierne diery v stredoch galaxií

V strede mnohých kôp sa nachádza galaxia s aktívnou supermasívnou čiernou dierou. Čierne diery v stredoch galaxií bežne dosahujú hmotnosť miliónov sĺnk, no tá v NGC 1275, čo je centrálna galaxia v Perzeovi, je ešte stonásobne ťažšia.

Komplikovanými procesmi vymršťujú obrovské množstvo horúcej hmoty, ktorá následne zohrieva a premiešava medzigalaktický plyn.

Priblížili sme sa hranici toho, čo sme donedávna o interakcii medzigalaktického plynu a hmoty vyvrhnutej čiernymi dierami vedeli. Rozlišovacia schopnosť teleskopov bola nedostatočná na skúmanie pohybu plynu v okolí centra kôp či jeho detailného zloženia.

An accumulation of 270 hours of Chandra observations reveals evidence of the turmoil that has wracked the central region of the cluster for hundreds of millions of years. The cluster contains thousands of galaxies immersed in a vast cloud of multimillion degree gas with the mass equivalent of trillions of suns. The enormous bright loops, ripples, and jet-like streaks apparent in the image can be linked to explosive activity generated by gas swirling toward the supermassive black hole (white spot) in the giant central galaxy, NGC 1275. Many of these features extend well beyond the galaxy where they heat the cluster gas and affect the evolution of the cluster. The dark blue filaments near the center are likely due to a galaxy that has been torn apart and is falling inward. Eventually, some of the gas from the doomed galaxy will be captured by the supermassive black hole in NGC 1275, fueling still more explosive activity.
Perzeus v röntgenovom spektre. Foto – NASA/CXC/IoA/A. Fabian et al.

Hitomi

Zmenila to až Hitomi. Jej najvýznamnejšie zistenie je, že aj napriek drastickým podmienkam je plyn v okolí pomerne pomalý – v priemere dosahuje rýchlosť 164 kilometrov za sekundu (to je veľa na diaľnici, ale málo vo vesmíre) a vzniká v ňom iba slabé turbulentné vírenie.

Supemasívna čierna diera tak ohrieva a premiešava plyn v strede kopy iba veľmi citlivo.

Môžeme si len predstaviť, čo by sme sa od Hitomi dozvedeli počas ďalších mesiacov a rokov.

Na prípravu a priebeh misie a jej prípadného nasledovníka sme sa opýtali Norberta Wernera zo Stanfordovej univerzity. Na starosti mal analýzu získaných dát.

Skúste čo najzrozumiteľnejšie opísať výsledok vašej publikácie v časopise Nature:

Hneď pri prvom pozorovaní, čo bolo asi sedem dní po štarte Hitomi, sa nám podarilo odmerať rýchlosti pohybu medzigalaktického plynu. Zistili sme, že energetické výtrysky (takzvané jety) z okolia obrej čiernej diery v strede kopy galaxií v súhvezdí Perzea premiešavajú medzigalaktický plyn.

Ukázalo sa, že pri tom vytvárajú dostatok turbulencie na to, aby sa z tohto medzigalaktického plynu nemohli vytvoriť hviezdy. Pád hmoty do čiernej diery v strede kopy galaxií teda zabraňuje tvorbe hviezd.

Prečo ste sa rozhodli, že toto je práve to najdôležitejšie meranie, ktoré chcete urobiť?

Ak by nám náš zrak dovoľoval vidieť röntgenové žiarenie, kopu galaxií v súhvezdí Perzea by sme obdivovali ako jeden z najjasnejších a najzaujímavejších objektov na oblohe. Keďže je Perzeus taký jasný, aj relatívne krátke pozorovanie nám poskytne veľmi kvalitné dáta.

Priestor na objavy bol naozaj obrovský, nikto nevedel, ako veľmi je medzigalaktický plyn premiešavaný aktivitou v blízkosti čiernych dier.

Ak by ste mali namiesto jedného pozorovania vybrať napríklad až tri, aké by boli tie ďalšie?

Asi by sme tam pridali pozostatok po výbuchu supernovy v súhvezdí Kasiopea a jednu rýchlo rotujúcu čiernu dieru.

Budete mať z experimentu aj ďalšie výstupy?

Prekvapenia a úžasné objavy nás čakajú vždy, keď sa naše pozorovacie schopnosti v astronómii (vo všeobecnosti vo vede) zlepšia 10-násobne.

Družica Hitomi mala 30-krát lepšie spektrálne rozlíšenie ako spektrometre na predchádzajúcich družiciach.

Naše dáta sú skutočne unikátne. Sú také bohaté, že na základe tohto jediného pozorovania ešte napíšeme aspoň 10 článkov.

Téma vzniku hviezd či dynamiky vesmíru na veľkých škálach týmto určite nie je vyčerpaná. Aké sú ďalšie otvorené otázky?

Tých je veľmi veľa. Ako vznikajú ohromne silné výtrysky z okolia čiernych dier, aké je chemické zloženie medzigalaktickej látky alebo ako vybuchujú supernovy.

V experimente ste mali na starosti spracovanie dát. Mohli by ste opísať, ako prebieha vaša práca?

Som jedným z ľudí zodpovedných za vedeckú analýzu dát z pozorovania kopy galaxií v Perzeovi. Na pozorovanie sme sa pripravovali niekoľko rokov, navrhovali sme tú najvhodnejšiu stratégiu.

Na prvých dátach som pracoval priamo v Japonsku, kde som mal k dispozícii najnovšiu kalibráciu. Spektrá analyzujem na svojom laptope.

Myslíte si, že vaše výsledky pomôžu pritiahnuť do tejto oblasti nové investície?

Toto pozorovanie ukázalo, aký úžasný nástroj je röntgenová spektroskopia. Dúfam, že to presvedčí vesmírne agentúry v Japonsku a v USA, aby čo najskôr postavili novú družicu, ktorá nahradí Hitomi. V Európe sa už pripravuje veľký röntgenový vesmírny ďalekohľad, zameraný na spektroskopiu, za vyše miliardu eur, ale ten poletí až po roku 2028.

Aké sú vaše osobné plány na najbližšie obdobie?

Týmto článkom v Nature sa naša práca na dátach z Hitomi nekončí, je tam ešte veľa neprebádaného.

Mám mnoho rozbehnutých projektov aj mimo Hitomi. Čakajú ma tiež veľké zmeny. V septembri sa po dvanástich rokoch vrátim do strednej Európy. Budem zakladať výskumnú skupinu na univerzite Eotvosa Loránda v Budapešti, budem učiť na Masarykovej univerzite v Brne a na Slovensku sa plánujem angažovať v Slovenskej organizácii pre vesmírne aktivity.

Dostupné z: doi:10.1038/nature18627

[Tip na knihu: Věda podle abecedy od známeho popularizátora vedy, novinára českého Deníka N Petra Koubského.]

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na pripomienky@dennikn.sk.

Vesmír

Veda

Teraz najčítanejšie