Šestnáct záhadných záblesků z vesmíru vyrobila mikrovlnka astronomů

Co jsou rychlé rádiové záblesky a jak se na ně přišlo?

Rychlé rádiové záblesky jsou výtrysky rádiových vln z hlubokého vesmíru, které trvají jen milisekundy, a první z nich se nenašel na obloze, ale v archivu. Astrofyzik Jiří Grygar připomíná, že radioastronomie vyrostla z vojenského radaru. Za druhé světové války si inženýři všimli, že jim radar občas ruší rádiové záření Slunce, a po válce se začaly stavět velké paraboly pro vědu. Jedna z největších na jižní polokouli stojí v Austrálii a má průměr 64 metrů. Observatoř pracovala digitálně a ukládala si i šum pro případ, že by se k datům chtěla vrátit. V roce 2007 se v archivu přehraboval student, který na těch datech psal diplomovou práci, a narazil na signál z roku 2001, který automatický vyhledávač přehlédl. Byl mimořádně silný, během trvání se mu měnila frekvence a celý trval kratší dobu než pět milisekund. Student nález zveřejnil, jenže víc se s ním dělat nedalo. Signál byl dávno pryč a věda věděla jen tolik, že něco takového existuje.

Šestnáct záblesků za rok 2010 vyrobila mikrovlnka

V roce 2010 začala stejná observatoř chytat podobné signály nečekaně často, za celý rok jich zaznamenala šestnáct. Podle Grygara to bylo „až s podivem“, kde se jich najednou tolik vzalo. Odpověď nakonec nebyla ve vesmíru. Pro noční pozorovatele přibyla na observatoři mikrovlnná trouba, aby si mohli ohřát večeři. Správně se má trouba nejdřív vypnout tlačítkem a teprve potom otevřít. Hladoví astronomové to tak nedělali a dvířka prostě otevřeli. Kontakt sice troubu v tu chvíli vypne, ale zůstane malinká prodleva několika milisekund, kdy vlny unikají ven. A radioteleskop je poslušně zachytil.

Grygar na tom příběhu ukazuje, jak vypadá věda zblízka. Přístroj, který slyší rádiové vlny ze vzdálenosti miliard světelných let, sám nepozná, že poslouchá ohřívanou večeři. Nějakou dobu to proto vypadalo, že celá věc se záblesky je nesmysl. Jenže ten první signál z roku 2001 mikrovlnka způsobit nemohla, protože tehdy na observatoři ještě nebyla.

Arecibo zachytilo záblesk, který se vracel na stejné místo

Rozhodl až 2. listopad 2012. Americký radioteleskop Arecibo na ostrově Portoriko má anténu o průměru 305 metrů, která vyplňuje celé údolí, a je proto mimořádně citlivý. Toho dne zachytil signál podobný tomu prvnímu z roku 2001 a tentokrát žádná trouba ve hře nebyla. Astronomy hlavně zarazilo, že se zdroj ozval znovu. V listopadu 2015 přišel záblesk přesně ze stejného místa oblohy, v roce 2016 pak opakovaně a v září dokonce několik záblesků během pár hodin. Tím bylo jasné, že jde o skutečný astronomický úkaz, a ne o poruchu.

Optickou identifikaci přinesl 10. leden 2017. Rádiová poloha byla tak přesná, že na ni astronomové mohli namířit optické dalekohledy. Našli malou a velmi vzdálenou galaxii a z jejího rudého posuvu spočítali vzdálenost 3,2 miliardy světelných let. Leží na severní obloze v souhvězdí Vozky. Grygar vysvětluje, proč na vzdálenosti tolik záleží. Z pouhé jasnosti nepoznáte, jestli je zdroj blízko, nebo daleko a svítí hodně. Teprve se vzdáleností se z pozorování stane zářivý výkon, se kterým se dá počítat. A rychlý skluz frekvence během záblesku je sám o sobě důkazem obrovské dálky.

Neutronová hvězda velká jako Praha a pole miliardy tesla

Ze vzdálenosti vyšly dvě věci, které nikdo nečekal. Záblesk je tak krátký, že musí pocházet z oblasti menší než sto kilometrů, „což je v astronomii nula“, jak říká Grygar. A po dobu, kdy svítí, má výkon jako všechny hvězdy v pozorovaném vesmíru dohromady. Nejpravděpodobnějším zdrojem je proto neutronová hvězda. Má průměr kolem 30 kilometrů a skládá se ze samých neutronů natěsnaných vedle sebe bez jediné mezírky. Do takové koule se vejde jedenapůlkrát víc hmoty, než má Slunce. „Když to položíte na Prahu, tak by to tak akorát vyšlo,“ přibližuje Grygar.

Samotná neutronová hvězda ale záblesk nevysvětlí, potřebuje k tomu extrémní magnetické pole. Přístroje pro magnetickou rezonanci pracují s poli kolem sedmi tesla, a to je zhruba nejvíc, co na Zemi běžně používáme. U zdroje záblesků se odhaduje asi miliarda tesla. Grygar to ukazuje na klíčích od bytu: kdyby takové pole bylo na Měsíci, klíče by vám vytrhlo z kapsy, proletěly by stropem a letěly by k Měsíci. Sám dodává, že celé vysvětlení je zatím hypotéza. Pevně stojí jiné zjištění. Podobný záblesk někde ve viditelném vesmíru bouchne každých deset sekund a unikal nám jen proto, že trvá milisekundy a frekvence mu během té chvíle ujíždí.

Jak daleko do minulosti dohlédne Hubbleův dalekohled?

Nejvzdálenější galaxie, jejíž vzdálenost umíme konkrétně změřit, vyslala světlo před 13,4 miliardy let. Vidíme ji tedy v době 400 milionů let po velkém třesku, přičemž celý vesmír je starý 13,8 miliardy let. Změřil ji Hubbleův kosmický dalekohled kamerou, kterou na něj astronauti připevnili v roce 2009. Rozpínání vesmíru posunulo světlo té galaxie z ultrafialové oblasti až do infračervené. Nejsilnější vodíková čára přitom vidět není, protože prostor mezi galaxiemi není úplně prázdný. Odborníci proto změřili takzvanou hranu, ostrý předěl ve spektru, který se z 91 nanometrů posunul na 1470. Otázky tím neskončily. Galaxie má hmotnost asi jako miliarda Sluncí, a protože na první hvězdy z vodíku a helia potřebuje vesmír zhruba 200 milionů let, na stavbu celé galaxie zbývá jen dalších 200 milionů. „Skoro to vypadá, že to nejde stihnout,“ říká Grygar. „Protože to je strašný fofr.“

Za určitou hranici se nepodíváme nikdy. Asi 400 tisíc let po velkém třesku byl vesmír tak horký, že volné elektrony vytvářely mlhu. Grygar ji přirovnává k jízdě autem v mlze, kdy vám světlomety ozáří jen světelnou stěnu před kapotou. Hloubka pohledu má ale výhodu. Vzdálené galaxie vidíme, jak vypadaly kdysi, blízké takové, jaké jsou dnes. Je to podobné, jako by mimozemšťan jedním snímkem vyfotil malé děti, dospělé i starce a poskládal si z toho, jak se vyvíjí člověk.

Poslední oprava Hubbla měla českou stopu

Hubbleův dalekohled začínal smutně. Po vypuštění v roce 1990 se ukázalo, že má špatně vybroušené zrcadlo, a snímky hvězd byly rozmazané. Optici mu vyrobili něco jako kontaktní čočky, malá opravná zrcátka za 50 milionů dolarů, a v roce 1993 je k němu dovezla výprava raketoplánu. Dalekohled pak fungoval o něco lépe, než slibovala původní specifikace. Poslední opravu dělali astronauti v roce 2009 a jedním z nich byl Andrew Feustel. Je to Američan, ale jeho manželka pochází z Brna, má indického tatínka a českou maminku, kteří se poznali na brněnské poště. Chtěla manželovi přibalit do osobního balíčku suvenýr z Česka a astronomové vybrali Písně kosmické Jana Nerudy v prvorepublikovém vydání od Borového. NASA chtěla povolit jen jeden list papíru. Paní Feustelová trvala na celé sbírce a NASA ustoupila. Přibyl k tomu list s anglickým překladem básně o žábách, který dostali všichni účastníci Světového astronomického kongresu v Praze roku 2006.

Na první vycházce musel Feustel odšroubovat 24 šroubů. Třiadvacet povolilo bez potíží, poslední byl zarezlý. Feustel si vzpomněl, jak si při studiu geologie přivydělával v autoservisu a povoloval tam zarezlé hlavy válců, a šroub povolil. Kdyby ho strhl, neudělali by vůbec nic. Na zpáteční cestě nemohl raketoplán přistát, protože na Floridě bylo špatné počasí, a posádka musela ještě den kroužit kolem Země. Feustel si vzpomněl na anglickou báseň.

„No tak to začal číst, a než dočetl tuto krásnou báseň, tak všech šest astronautů usnulo,“ vypráví Jiří Grygar.

Každý atom uhlíku v nás pochází z nějaké hvězdy

Po velkém třesku obsahoval vesmír jen vodík a helium, zhruba tři čtvrtiny vodíku a čtvrtinu helia. Všechno ostatní podle Grygara vyrobily hvězdy, které fungují jako chemické továrny. Na sloučení vodíku na helium je potřeba nejméně 15 milionů stupňů a na výrobu uhlíku z helia, tedy základu organické chemie, 300 milionů kelvinů. Alchymisté, kteří chtěli zahříváním proměnit olovo ve zlato, proto podle Grygara nebyli úplně vedle: „Oni měli pravdu, jenom měli nízkou teplotu.“ Hvězda takhle vyrobí prvky po železo s číslem 26, ještě kobalt a nikl, tedy jen první třetinu Mendělejevovy tabulky. Zbytek vzniká při výbuchu. Střed hvězdy se už rozpíná, zatímco vnější vrstvy ještě padají dovnitř, a v té srážce se chytají volné neutrony. Dnes tvoří vodík a helium 98 procent látky ve vesmíru a na všechny ostatní prvky zbývají dvě procenta. „Čili my jsme hvězdný prach,“ shrnuje Grygar.

Z toho plyne i jeho oblíbený vtip. Měď a další těžké prvky jsou výsledkem práce miliard hvězd, které je pro náš malinký ždibec vesmíru vyráběly. Kdo krade měděné okapy, je podle Grygara astrofyzik, který tohle ví.

Vesmír nejspíš neskončí velkým smrskem, ale zamrzne

V prvních desetiletích teorie relativity se uvažovaly dva konce vesmíru. Buď se bude rozpínat pořád, jen čím dál pomaleji, nebo dosáhne největšího rozměru a gravitace ho stáhne zpátky do velkého smrsku. Měření ukázala třetí možnost. Rozpínání se nejprve brzdilo, ale zhruba v polovině dosavadního věku vesmíru, před nějakými sedmi miliardami let, se zlomilo a od té doby zrychluje. Grygar to přirovnává k autu, kterému v půlce kopce začne chcípat motor: „Takže někdo má tam nějakou tupáčku a podřadil.“ Jediný rozumný scénář je teď velký zmrzk. Rozpínající se vesmír chladne a už dnes má v průměru teplotu 3 kelviny, tedy minus 270 stupňů Celsia. Minulost vesmíru podle Grygara astronomové znají lépe než historici lidské dějiny, protože vesmír je průhledný. O budoucnosti platí, že ji jistě nevíme.

Grygar ostatně nezastírá, jak často se jeho obor mýlil. První odhady belgického kněze a matematika Lemaîtra i Edwina Hubbla dávaly vesmíru 1,8 miliardy let. Když Grygar studoval vysokou školu, učilo se 24 miliard. Dnes je to 13,8 miliardy s chybou 0,1, potvrzené třemi nezávislými metodami. Rád cituje Johna Wheelera, posledního žijícího žáka Alberta Einsteina a autora pojmu černá díra: „Naším úkolem jako fyziků je dělat chyby co nejrychleji.“ Od nositele Nobelovy ceny Lva Landaua pochází věta, že kosmologové nikdy nepochybují, ale často se mýlí. A Wheeler k tomu radil: „Nikdy nespěchej za tramvají, za krásnou ženou a za kosmologickou teorií. Za pět minut se objeví další.“