ESA – 7. díl – Jak daleko jsou hvězdy?

Znalost vzdálenosti hvězd je při výzkumu vesmíru elementární. Bez vzdálenosti je nemožné změřit zářivý výkon nebo absolutní jasnost hvězd. Bez určení vzdálenosti nemůžeme poznat pravou podstatu hvězd. Nedozvíme se tedy, zda jde o nějakého hvězdného obra, červeného trpaslíka, nebo například hvězdu hlavní posloupnosti. Jeden z největších antických astronomů, Hipparchos z Nikaie byl výborný matematik a především průkopník v oboru astrometrie. Dávno před vynálezem dalekohledu se zhostil náročného úkolu měření poloh hvězd za pomocí svých vlastních očí a měřících pomůcek, jež vynalezl. Mimo jiné určil sklon zemské osy, objevil její precesi a změřil délku slunečního roku. Jeho nejvýznamnějším přínosem však byl katalog 1080 hvězd, který byl prvním svého druhu. Dnes se poohlédneme po vesmírné misi následovníka a jmenovce tohoto starověkého Řeka. Nebude jím nic jiného než astrometrická družice Hipparchos Evropské kosmické agentury.

Než se ale pustíme do samotného Hipparcha, je velmi důležité obeznámit vás s jedním astronomickým pojmem. Je jím paralaxa. Těm z vás, kteří nevědí o čem je řeč, se to pokusím co nejjednodušeji vysvětlit. Vyzkoušejte si takový malý experiment. Vztyčte palec asi 10 cm od vašich očí. Nyní střídavě zavírejte levé a pravé oko. Vidíte, jak váš palec oproti vzdálenému pozadí mění svou polohu?  Poskakuje zleva doprava, že ano? Nyní ruku úplně natáhněte a postup opakujte. I tentokrát palec poskakuje, ale jeho pohyb už není tak výrazný. Díky tomuto efektu máme prostorové, neboli stereoskopické vidění, které nám umožní určovat vzdálenosti předmětů až do sta metrů. Při delších vzdálenostech už to není možné, jelikož změna pozice tak vzdálených předmětů je natolik malá, že ji nejsme schopni rozeznat. Naše oči jsou totiž příliš blízko u sebe.

Grafické znázornění paralaxy.

Grafické znázornění paralaxy.
Zdroj: http://upload.wikimedia.org/

Metoda měření vzdáleností blízkých hvězd je založena právě na tomto principu. Měří tedy polohu hvězdy a to, jak moc se pozorovaná hvězda posune vůči vzdálenému hvězdnému pozadí při pozorování z jiného místa. Hvězdy jsou však nesmírně vzdálené a jednotlivá místa pozorování tudíž musí mít od sebe maximální možnou vzdálenost. Pokud si myslíte, že jednotlivá pozorovací stanoviště jsou na opačných stranách planety, tak se mýlíte. Tato vzdálenost je pro měření vzdálenosti jakékoliv hvězdy příliš malá. Nabízí se mnohem elegantnější řešení. Měření mohou probíhat pouze na jedné observatoři ovšem ze dvou protilehlých bodů oběžné dráhy kolem Slunce. Výsledkem takového měření je úhel, nazývaný paralaxa.

Díky měřením paralax jednotlivých hvězd astronomové mohli poprvé vypočítat jejich vzdálenost a díky tomu odvodit jejich základní vlastnosti ale také odhadnout stáří vesmíru. V polovině 20. století se však astrometrie stávala poněkud zastaralou. Pozemské teleskopy byly omezeny pozorováním přes rušivou zemskou atmosféru a už nemohli v této oblasti přinést nic nového.

V roce 1967 dal Francouz jménem Pierre Lacroûte astrometrii novou naději. Navrhl umístit teleskop na oběžnou dráhu Země, daleko od rušivé atmosféry. Odtud by mohl nerušeně pozorovat mnohem více hvězd, měřit jejich vlastnosti, vzdálenosti od Země i vzdálenosti mezi hvězdami samými. Díky tomuto smělému návrhu se astrometrie významně posunula vpřed a opět získala na významu. Francouzská agentura CNES se rozhodla podpořit Pierra Lacroûtea a navrhla plán na vypuštění astrometrického satelitu. Nicméně po důkladnějším plánování se ukázalo, že takový projekt by byl příliš drahý a CNES si nemůže dovolit financovat jej sama. V roce 1980 se tohoto neuskutečněného projektu chopila ESA, která si uvědomovala jeho význam a přínos. Projekt byl nazván Hipparchos. Není to však pouze odkaz na starořeckého astronoma ale také zkratka názvu High Precision Parallax Collecting Satellite. Volně přeloženo – Družice sbírající paralaxy s velmi vysokou přesností.

Základní vědeckou motivací bylo určit fyzikální vlastnosti hvězd prostřednictvím měření jejich vzdáleností a prostorových pohybů. To přispělo k pevnějším základům studia struktury hvězd, jejich vývoje a také studia rozložení hvězd v galaxii a jejich pohybů. Hlavním cílem bylo zjistit polohu, paralaxu a pohyb u přibližně 100 000 hvězd s do té doby nebývalou přesností 0,002 úhlové minuty. Tato přesnost nakonec byla ještě dvakrát lepší. Tím se přesnost oproti pozemnímu pozorování zvýšila 10x až 100x.

Hipparchos byl pro evropský kosmický průmysl velkou výzvou. Satelit, který má umožňovat takto přesná astronomická měření musí oplývat extrémní tepelnou stabilitou pro udržení optické přesnosti, hladkým pohybem bez sebemenšího chvění, vysoce přesným stanovením vlastní polohy v reálném čase a také vysokorychlostním odesíláním nasbíraných dat. Množství dat nasbíraných za celou misi bylo největším objemem analyzovaných dat v historii astronomie.

Satelit byl navržen tak, aby rotoval velmi pomalu. Jedna otočka kolem hlavní osy mu trvala něco málo přes dvě hodiny. Současně byla jeho rotační osa velmi pomalu nakláněna. Tato pomalejší rotace měla rychlost 6,4 otáčky za rok. Ve třetí ose byl satelit stabilně natočen pod úhlem 43° ke Slunci.  Díky těmto pohybům mohl teleskop typu Schmidt na jeho palubě prohlédnout kompletně celou oblohu a to hned několikrát za dobu trvání mise.

Hipparchos během testů ve Velkém slunečním simulátoru v ESTECu v roce 1988.

Hipparchos během testů ve Velkém slunečním simulátoru v ESTECu v roce 1988.
Zdroj: http://www.rssd.esa.int/

Samotné tělo mělo tvar šestiúhelníku obsahujícího dvě hliníkové platformy. Středem vedl motor na tuhá paliva a v horní části se nacházel sluneční štít. Celková výška byla 3 m a průměr 1,8 m. Celková hmotnost činila 1140 kg, z čehož 215 kg tvořily vědecké přístroje. Tři rozvinuté křemíkové solární panely o rozměrech 119×169 cm dohromady generovaly 380 W elektrické energie. Tu bylo možné skladovat ve dvou niklo-kadmiových bateriích s kapacitou 10 Ah. Na horní i spodní části byly umístěny dvě antény o výkonu 2,5 W, které v mikrovlnném pásmu poskytovaly přenos ve všech směrech rychlostí 24 kbit/s na kmitočtu 2,24 GHz. Udržení správné polohy a přesné rotace zajišťovaly čtyři 5 N trysky na hydrazin, šest slabších 20 mN trysky na stlačený dusík a samozřejmě gyroskopy. Dusíku bylo v nádržích k dispozici 9,3 kg a hydrazinu 32 kg. Obě dvě pohonné látky byly uloženy ve dvou nádržích. Hlavním přístrojem byl výše zmíněný teleskop Schmidt o průměru primárního zrcadla 29 cm a ohniskové vzdálenosti 1,4 m. Primární zrcadlo bylo vybroušeno s takovou přesností, že kdyby mělo velikost šířky Atlantského oceánu, nerovnosti na jeho povrchu by měly maximálně 10 cm.

Start rakety Ariane 4 s družicí Hipparchos ukrytou pod aerodynamickým krytem.

Start rakety Ariane 4 s družicí Hipparchos ukrytou pod aerodynamickým krytem.
Zdroj: http://www.rssd.esa.int/

Start se uskutečnil 8. srpna 1989 z jihoamerického Kourou. Na špici rakety Ariane 4 byla spolu s Hipparchem i telekomunikační družice TV-SAT2. Let nesl označení V33. Hipparchos měl být umístěn na geostacionární dráhu, ale zůstal uvězněn na dráze přechodné ke geostacionární. Příčinou tohoto selhání byl motor na tuhá paliva, který se v apogeu nezažehl a nezakulatil oběžnou dráhu. Nákladný projekt se začal hroutit. Satelit v nejnižším bodě obíhal poměrně nízko a vysoké vrstvy atmosféry by způsobovaly jeho brzdění. Ke zvýšení perigea bylo improvizovaně použito hydrazinových trysek. Spotřebovalo se cenných 26 kg z celkových 32 kg hydrazinu a nejnižší bod se tak posunul o 326 km výš od nebezpečné atmosféry. I tak zde zůstávalo několik dalších problémů. Solární panely a elektronika nebyly navrženy pro opakované průlety drsnými Van Allenovy pásy. Perigeum bylo ve výšce 526 km a apogeum mělo 35 900 km. Vnitřní radiační pás se nachází přibližně mezi 1600 a 12 900 km. To znamená, že by jím satelit prolétl nejméně dvakrát denně. Nižší oběžná dráha dále hrozila delšími periodami v zemském stínu, což kladlo vyšší nároky na baterie. Posledním výrazným problémem byl sběr dat. Jelikož měl být Hipparchos na geostacionární oběžné dráze, stačila k jeho monitorování pouze jedna stanice, která byla v Německu. Najednou ale družice kroužila kolem celé Země a tak byly za dodatečných nemalých nákladů přidány další tři monitorovací stanice. Data byla získávána po 60% doby trvání mise.  I přes tyto výrazné problémy byla mise velmi úspěšná a svou 30ti měsíční plánovanou životnost s přehledem protáhla. Ukončení se dočkala až v březnu 1993, kdy palubní elektronika podlehla opakovanému radiačnímu bombardování.

Hertzsprung-Russellův diagram zobrazující 41 453 hvězd zkoumaných Hipparchem.

Hertzsprung-Russellův diagram zobrazující 41 453 hvězd zkoumaných Hipparchem.
Zdroj: http://sci.esa.int/

Výsledky mise kromě jiného přinesly vytvoření dvou astronomických katalogů. Tím prvním je katalog Hipparchos, který byl publikován teprve v roce 1997. Tady vidíte, že ukončením práce samotného satelitu nic nekončí, ale v pracích a analýze dat se pokračuje ještě dlouho poté. Tento katalog byl publikován v šestnácti svazcích, z čehož poslední tři jsou všem astronomům dobře známé hvězdné mapy Millenium Star Atlas. Katalog Hipparchos obsahuje údajo o 118 218 hvězdách s přesností 0,001“. Druhým katalogem je Tycho, jenž čítá přesně 1 058 322 hvězd s přesností 0,2 – 0,3“. Katalog Tycho 2 publikovaný v roce 2000 pak přinesl přes dva a půl milionu hvězd, které tvoří 99% všech hvězd 11. hvězdné velikosti a nižší. To znamená, že ty nejslabší hvězdy zde uvedené jsou 100 000x slabší, než nejjasnější hvězda naší oblohy. Katalogy obsahují u každé hvězdy její pozici, pohyb, jasnost a spektrální třídu.

Astrometrický satelit Hipparchos se stal dalším velkým úspěchem Evropské kosmické agentury a představoval největší pokrok v mapování hvězd v historii. Kromě vytvoření velmi přesného trojrozměrného modelu okolí Slunce se vyznamenal i řadou dalších objevů. Předpověděl náraz komety Shoemaker-Levy 9 do Jupitera v roce 1994, potvrdil Einsteinovu teorii, že světlo je ohýbáno gravitací, nebo také zjistil, že naše Galaxie mění svůj tvar. Data získaná po dobu trvání mise jsou používány v mnoha oblastech do dnes a napomohla astronomům při řešení neskutečného množství problémů, které zdánlivě nemají s měřením vzdáleností hvězd nic společného.

Zdroje informací:
http://www.rssd.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.hvezdarna.cz/

Zdroje obrázků:
http://www.rssd.esa.int/
http://upload.wikimedia.org/
http://www.rssd.esa.int/
http://www.rssd.esa.int/
http://sci.esa.int/

ESA - 7. díl - Jak daleko jsou hvězdy?, 2.5 out of 5 based on 25 ratings
Pin It
(Visited 555 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (25 votes cast)
(Visited 555 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


2 komentáře ke článku “ESA – 7. díl – Jak daleko jsou hvězdy?”

  1. astrodi napsal:

    poucne a putave citanie – len tak dalej 😀

  2. kopapaka napsal:

    Zas jedna družice, o které jsem nevěděl…
    Pěkné…

Zanechte komentář