Bratislava 15. marca (Teraz.sk) - Hubblov kozmický ďalekohľad zachytil unikátny viacnásobný obraz hviezdneho výbuchu. V pozadí je jav gravitačnej šošovky, ktorý v roku 1936, už po presídlení z Nemecka do USA, odvodil jeden z najvýznamnejších fyzikov histórie, Albert Einstein (1879-1955).

Gravitačná šošovka vzniká vtedy, ak svetlo vzdialeného zdroja ovplyvní hmota, ležiaca na zornom lúči medzi zdrojom a pozorovateľom. Svetlo zdroja sa pri tom buď rozštiepi na viacero obrazov, pretiahne do oblúka či inak zdeformuje. A zosilní. Často všetko naraz. Jav sa dlhý čas považoval za zaujímavý dôsledok všeobecnej teórie relativity. Prvý reálny príklad bol objavený až v roku 1979. Odvtedy desiatky ďalších. Týkali sa ale iba galaxií a kvazarov, superhmotných čiernych dier v stredoch mladých galaxií. Kvazary pohlcujú hmotu z okolia a vyžarujú energiu, najmohutnejšie z vesmírnych telies. Najmä vo forme rádiových vĺn.

Premiérovú hviezdnu ukážku tohto javu, „šošovkovú supernovu“, tvoria štyri obrazy vybuchnutej hviezdy usporiadané do tvaru kríža.

Objav oznámila 31-členná skupina astronómov na čele s Patrickom Kellyom z University of California v Berkeley (USA). Okrem amerických v nej boli vedci z Dánska, Austrálie, Francúzska a Talianska. Urobili to štýlovo. V špeciálnom čísle časopisu Science zo 6. marca, venovaného storočnici Einsteinovej všeobecnej teórie relativity, ktorú uverejnil v roku 1915.

Životodarné hviezdne katastrofy

Výbuch hviezdy ako supernovy vyplýva z katastrofického narušenia rovnováhy. Hviezda totiž môže dlhodobo existovať iba vtedy, ak sa vyrovnávajú dve sily. Na jednej strane jej vlastná tiaž, ktorá pôsobí do stredu, a na druhej tlak žiarenia, produkovaný termonukleárnymi reakciami v stredových oblastiach hviezdy, ktorý pôsobí von. Hviezda sa pri supernove zrúti na seba samú. Sprevádzajú to explozívne jadrové reakcie. Iné, ako počas jej stabilného vyžarovania. A náhle uvoľnenie obrovskej energie. Supernova dokáže až približne na 1 rok zatieniť žiarivým výkonom jas mnohých miliárd ostatných hviezd v príslušnej galaxii.

Foto: ESO

Hviezda pri nej prakticky zanikne ako aktívne žiariace teleso. Výbuch ju buď úplne roztrhá, alebo z nej zostane iba supezhustený stred v podobe takzvanej neutrónovej hviezdy, zväčša extrémne rýchlo rotujúcej. Supernov je známych viacero typov. Z hľadiska nás ako živých tvorov však nejde o výslovne deštruktívny jav. Pravdaže, keby vybuchla ako supernova niektorá blízka hviezda, bolo by to veľmi nepríjemné. Slnku našťastie taký osud nehrozí. Bez supernov by sa však vesmírna hmota neobohatila o ťažšie prvky generované pri výbuchoch a navyše ešte aj prudko rozhodené do okolia. Nevznikli by planéty, ani život. Ani ľudia.

Supernova do kríža

Gravitačná šošovka vzniká vtedy, ak svetlo vzdialeného zdroja ovplyvní hmota, ležiaca na zornom lúči medzi zdrojom a pozorovateľom. Svetlo zdroja sa pri tom buď rozštiepi na viacero obrazov, pretiahne do oblúka či inak zdeformuje. A zosilní. Často všetko naraz. Jav sa dlhý čas považoval za zaujímavý dôsledok všeobecnej teórie relativity. Prvý reálny príklad bol objavený až v roku 1979. Odvtedy desiatky ďalších. Týkali sa ale iba galaxií a kvazarov, superhmotných čiernych dier v stredoch mladých galaxií. Kvazary pohlcujú hmotu z okolia a vyžarujú energiu, najmohutnejšie z vesmírnych telies. Najmä vo forme rádiových vĺn.

Premiérovú hviezdnu ukážku tohto javu, „šošovkovú supernovu“, tvoria štyri obrazy vybuchnutej hviezdy usporiadané do tvaru kríža. Nazýva sa to Einsteinov kríž. Hmotou, ktorá ovplyvňuje svetlo vzdialenej supernovy, je v prvom rade masívna eliptická galaxia, členka zoskupenia čiže kopy galaxií MACS J1149+2223. S ostatnými galaxiami z kopy sa nachádza vyše 5 miliárd svetelných rokov od našej Mliečnej cesty. (1 svetelný rok = 9,46 bilióna kilometrov.) Svojou gravitáciou však prispeli aj ďalšie členky predmetnej kopy.

Správa spred vyše 9 miliárd rokov

„Naozaj som išiel takpovediac do vývrtky, keď som zbadal štyri obrazy, obklopujúce galaxiu, bolo to úplné prekvapenie,“ povedal Patrick Kelly. Supernovu objavil v novembri 2014 pri rutinnej prehliadke údajov z projektov GLASS (Grism Lens Amplified Survey from Space) a Frontier Fields. Obidva využívajú Hubblov kozmický ďalekohľad na obežnej dráhe okolo Zeme na monitorovanie kôp galaxií. Cieľ: identifikovať javy gravitačnej šošovky.

Foto: ESA

Švorjediná supernova skutočne prekvapila. Napriek faktu, že Patrick Kelly s kolegami čosi podobné hľadal od roku 2013. Pozorovali ju aj ďalekohľadom W. M. Keck Observatory na Havaji s priemerom objektívu 10 metrov. Zistili, že príslušnému svetlu zabrala cesta k Zemi vyše 9 miliárd rokov. Supernova je od nás totiž vzdialená približne 9,3 miliardy svetelných rokov. Nebyť gravitačnej šošovky, bolo by prislabé na to, aby sme ho dokázali zachytiť.

Dvojitá lupa

„Táto supernova sa nám javí zhruba 20-krát jasnejšia, než aká by bola jej prirodzená jasnosť. Príčinou sú prekrývajúce sa účinky dvoch gravitačných šošoviek. Rozsiahla kopa galaxií zaostruje svetlo supernovy pozdĺž najmenej troch dráh. Keď sa jedna z týchto dráh ocitla presne vedľa eliptickej galaxie, vznikol druhotný šošovkový jav,“ vysvetlil člen tímu Jens Hjorth z Niels Bohr Institute pri University of Copenhagen (Dánsko).

Na svetlo supernovy pôsobí takzvaná tmavá hmota, súvisiaca s eliptickou galaxiou. Nesvieti, a tak jej podstatu zatiaľ nepoznáme, no vieme o nej vďaka jej gravitačným účinkom na bežnú hmotu. V skutočnosti je jej vo vesmíre azda až päťkrát viac ako bežnej hmoty. Napoly žartom sa tomu hovorí „astronomický škandál“. Veď čo je to za veda, keď netuší, z čoho je väčšina predmetu jej skúmania! Tmavá hmota ohýba svetlo supernovy a opätovne ho zaostruje do štyroch ďalších dráh. Výsledkom je Einsteinov kríž okolo galaxie v MACS J1149+2223.

Vesmírna repríza?

Keď pozorované štyri obrazy supernovy zoslabnú, čo sa dá čakať zhruba o rok, my, diváci tu na Zemi, možno dostaneme vzácnu šancu. Pozorovať tento výbuch takpovediac v repríze. Rôzne obrazy supernovy vytvorené javom gravitačnej šošovky k nám totiž nedorazia v ten istý čas. Svetlo každého obrazu postupuje odlišnou cestou. A pozdĺž každej cesty naňho pôsobí iné rozloženie hmoty. Bežnej i tmavej. Na ceste sa tým vytvárajú akési zatáčky. Niektoré cesty spočiatku toho istého svetla sú tak dlhšie. To vzhľadom na konečnú rýchlosť šírenia svetla znamená, že niektoré obrazy budeme pozorovať neskôr ako iné.

Dobrou analógiou je tu niekoľko vlakov, smerujúcich rovnakou rýchlosťou do toho istého mesta, avšak po rôznych tratiach. Tie sa líšia dĺžkou i terénom. Niektoré vlaky prechádzajú po vŕškoch. Iné cez údolia. A ešte iné obchádzajú pohoria. Keďže majú prejsť rôzne dĺžky tratí naprieč rôznym terénom, do cieľa neprídu naraz. To isté platí pre jednotlivé obrazy supernovy. Neobjavia sa v rovnaký čas, pretože šírenie časti jej svetla spomalí obchádzanie ohybov vytvorených gravitáciou hustej tmavej hmoty v kope galaxií na zornom lúči.

Predpoveď zjavenia

Ak sa zohľadnia modely množstva a rozloženia tmavej hmoty v kope galaxií, umožní to predpovedať, kde sa v nej objaví ďalší obraz a kedy asi. Nuž a z časových rozpätí medzi objavením sa jednotlivých obrazov sa zasa dajú spätne upresniť modely tmavej hmoty.

„Štyri obrazy supernovy zachytené Hubblovým kozmickým ďalekohľadom sa objavili v rozpätí niekoľkých dní alebo týždňov. Zaznamenali sme ich ale až všetky. Myslíme si, že supernova sa zrejme pred približne 20 rokmi objavila v podobe jediného obrazu na inom mieste tejto kopy galaxií. Ešte vzrušujúcejšie je však, že očakávame ďalší jej obraz. Približne do 1 až 5 rokov. Dúfame, že tentoraz ho zachytíme v reálnom čase,“ vysvetlil člen tímu Steve Rodney z Johns Hopkins University v Baltimore (štát Maryland, USA).

Foto: NASA

Refsdalova hviezda

Supernovu nazvali Refsdalova. Ide o poctu nórskemu astronómovi Sjurovi Refsdalovi (1935-2009). V roku 1964 ako prvý – ešte čiste teoreticky – navrhol použiť pri výskume vlastností rozpínania vesmíru práve naznačeným spôsobom časovo omeškané rôzne obrazy supernovy, ktorej svetlo obmenil cestou k nám jav gravitačnej šošovky.

„Astronómovia sa po celý čas, ktorý odvtedy uplynul, usilovali takúto viacobrazovú supernovu skutočne objaviť. Teraz sa to dlhé čakanie konečne zavŕšilo úspechom,“ uzavrel člen tímu Tommaso Treu z University of California v Los Angeles (USA).

zdroje: Science zo 6.3. 2015; Komuniké ESA/Hubble Information Centre z 5.3. 2015; Komuniké NASA Goddard Space Flight Center zo 6.3. 2015