Dnes máme přímo povinnost zmínit se o dvou událostech, které aktuálně hýbou světem astronomie a astrofyziky. Tou první je zpráva, že sonda Juno dorazila po dlouhé cestě k Jupiteru, a druhou potom skutečnost, že se vědcům podařilo už podruhé zachytit signál gravitačních vln. Obě události mohou podstatně rozšířit naše znalosti o zákonitostech vesmíru a naší sluneční soustavy, i když každá z jiného pohledu. A aby toho abstraktního a těžko představitelného nebylo moc, podíváme se nakonec na jednu zvláštnost, která byla dána do vínku některým obyvatelům moří a oceánů.
Satelit JUNO dorazil k Jupiteru
Pokud už se náhodou stane, že se o fyzice mluví i v televizních novinách, tak to ani my nemůžeme zanedbat. Oč tedy jde? Po pětiletém putování dorazila k největší planetě naší sluneční soustavy, Jupiteru, sonda Juno. Ta zde bude po celý rok sbírat data, která by vědcům měla pomoci zjistit, jak se planeta formovala a jestli má pevné jádro. Na pouť dlouhou 3,2 miliardy kilometrů sondu vyslala NASA. Mise vyšla na více než miliardu dolarů.
Sonda se vesmírem pohybovala rychlostí přes 60 km/s, šlo tedy o nejrychlejší objekt, který dosud člověk vytvořil. 4. července v 11.18 hod. sonda na 35 minut zapnula brzdicí raketu, aby snížila svou rychlost, a tím se dostala do gravitačního pole Jupitera. Brzdicí manévr lze považovat za vskutku vrcholný úspěch, sonda totiž musela „do puntíku přesně“ splnit několik úkolů. Prvním bylo dodržení času zážehu brzdicích motorů a přesné navedení na protáhlou eliptickou dráhu nad póly planety. Tato dráha byla zvolena proto, aby se sonda vyhnula pásu silné radiace. Sonda se musela obrátit tak, aby solárními články směřovala ke Slunci. Jupiter je od Slunce vzdálen mnohem víc než Země, a sluneční záření je na něm proto méně intenzivní, přesto jsou sluneční články pro sondu jediným zdrojem energie. Juno se k planetě přiblíží až na 4800 km. Po celý rok bude sbírat data, která by vědcům měla pomoci zjistit, jak se planeta formovala a jestli má pevné jádro.
Kosmická loď fungovala perfektně. Podle pracovníků NASA bylo úchvatné řídit stroj a na tachometru mít 2,5 miliardy km. Dosažení oběžné dráhy Jupitera představuje velký krok pro výzkum a současně velkou výzvu pro budoucí kosmické mise. Podle Scota Boltona, ředitele mise Juno z Southwest Research Institute v San Antoniu, měla fáze sběru vědeckých informací začít až v říjnu, vědci ale vymysleli způsob, jak bude možné data sbírat už dříve. Astrofyzici, kteří na této misi pracují, doufají, že jim Juno pomůže zjistit, jak se Jupiter vlastně formoval a vyvíjel a co se schovává za mraky, které planetu obklopují. Jupiter se skládá hlavně z vodíku a helia, jeho atmosféra ale obsahuje i těžší prvky jako uhlík, dusík a kyslík. Astronomové však zatím neznají odpověď na to, jak je hustá a horká atmosféra strukturovaná nebo kolik obsahuje vody.
Juno bude také do nejmenších možných podrobností mapovat magnetické pole a pokusí se získat data, jež by vědce mohla navést k odhalení vzniku planety. Magnetické pole Jupitera je nejméně desetkrát silnější než magnetické pole Země a vytváří největší magnetosféru ze všech planet sluneční soustavy, která sahá do vzdálenosti přibližně tří milionů kilometrů.
Satelit Juno je pojmenován podle manželky římského boha Jupitera a je už druhou sondou, která kolem Jupitera obíhá. První byl satelit Galileo vyslaný už v roce 1989, který na oběžné dráze Jupitera (obíhal nad rovníkem planety) strávil osm let a sloužil hlavně ke studiu Jupiterových měsíců.
Na palubě sondy Juno je devět vědeckých zařízení, mezi nimiž nechybí detektor částic, kamera, magnetometr, mikrovlnný radiometr a spektrometr. Protože atmosféra Jupitera je silně radioaktivní – radiace tam tisíckrát překračuje hodnotu, která je pro člověka smrtelná –, musí být všechna zařízení uzavřena v ochranné schránce, která má silné titanové stěny. Sonda Juno je napájena z 19 000 solárních článků umístěných na třech devět metrů dlouhých ramenech. V lednu překonala rekord – stala se nejvzdálenější sondou napájenou sluneční energií ve sluneční soustavě. Rekord dosud držela sonda Evropské vesmírné agentury Rosetta. Až splní Juno své úkoly, čeká jej smutný konec v podobě zániku v atmosféře planety. Slavnou však sonda určitě zůstane, a to hlavně kvůli výsledkům, které, jak všichni doufají, přinese.
Detektor LIGO podruhé zachytil spojení dvou černých děr
Ani v těchto dnech nejdiskutovanější událost v astrofyzice nelze, podobně jako v předchozím případě, jen tak přejít. Vědcům se totiž podruhé podařilo přímo registrovat gravitační vlny na zařízení Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO). Pozorování bylo provedeno 26. prosince 2015.
Gravitační vlny, což jsou vlny v časoprostoru, měly i tentokrát původ v kolizi dvou černých děr. V tomto druhém případě měly černé díry hmotnost 14, resp. 8 hmotností Slunce a spojily se do rotující černé díry o hmotnosti 21 hmotností Slunce, která je od nás vzdálená 1,4 miliardy světelných let, tj. 440 Mpc. Při srážce a následném spojení byla ve formě gravitačních vln vyzářena přibližně hmotnost jednoho Slunce. Protože událost byla zaznamenána o vánočních svátcích, konkrétně na svátek sv. Štěpána, říká se jí „Svatoštěpánská událost“, oficiálně však nese název GW151226.
LIGO zachytilo jeden podobný signál již v říjnu minulého roku, ten však byl slabší, než je oficiální práh detekovatelnosti, takže nemohl být oficiálně uznán, přesto je pro astrofyziky cenným doplněním dvou oficiálních pozorování. Celkem tak tyto tři události, k nimž došlo během čtyř měsíců, odstartovaly novou éru astronomie gravitačních vln, která umožnila zpřesnit teorii černých děr.
Již od prvního pozorování gravitačních vln změnil LIGO pohled astrofyziků na dění ve vesmíru. Vědci totiž původně předpokládali, že první událostí, během níž by se mohly registrovat gravitační vlny, bude spojování binárních neutronových hvězd, zatímco spojování černých děr bude velmi vzácné. Jak se však ukázalo, zatím je tomu právě naopak. Všechna dosud pozorovaná slučování navíc zahrnují černé díry hvězdné hmotnosti, což je neméně překvapující. Teorie totiž do této doby předpokládala, že dvojice o takové hmotnosti hvězd se tvořit nemohou, anebo pokud ano, tak v takové vzdálenosti, která přesahuje stáří našeho vesmíru. I zde se ukazuje, že je opak pravdou. Rychlost slučování binárních černých děr je daleko vyšší, než se předpokládalo, a to mezi šesti až 400 událostmi na kubický gigaparsec za rok.
Už od první události, k níž došlo v září minulého roku, teoretici zkoumají možnosti, jak se takové binární soustavy mohou slučovat, a navrhují dvě možná řešení. První je, že se masivní binární hvězdy obě změní na černé díry, jež se pak případně sloučí, a druhé, že jsou černé díry, nacházející se v hustém hvězdném prostředí, jako jsou kulovité klastry, přitahovány do centra klastru, kde mohou splynout s jinými černými dírami.
Hmotnosti dvou černých děr pozorovaných při události GW151226 jsou blíže hodnotám, které se předpokládají pro černé díry vzniklé evolucí masivních hvězd. Vzdálenost k tomuto systému je 70 – 80 % maximální vzdálenosti, do které můžeme takový systém spolehlivě detekovat. Hmotnosti černých děr byly tentokrát menší než ty, které byly detekovány v prvním případě, což znamená, že jejich signál byl slabší a nebyl v souboru dat tak snadno viditelný. Na druhé straně ale menší hmotnost znamená, že detektor zaznamenával signál delší dobu a systém on-line analýzy na detektoru LIGO jej rychle rozeznal jako kandidáta na signál gravitačních vln. Je to proto, že systém s menší hmotností vysílá signál s vyšší frekvencí. Těžší systém totiž končí splynutí rychleji, jeho orbit se rychle zmenšuje, protože produkuje více záření.
Když se uváží, že velikost černé díry je přímo úměrná její hmotnosti, je zřejmé, že větší černé díry se začnou spojovat dříve, než se mohou dostat tak blízko, aby dosáhly vysoké frekvence. Přestože signál z prosince nebyl tak silný jako v prvním případě (tam byly hmotnosti přibližně trojnásobné), měl dostatečně velkou statistickou platnost 5,3 σ a trval celou jednu sekundu. Když se na detektoru LIGO objevil, ten jej okamžitě rozeznal jako kandidáta na signál gravitačních vln. Zúčastněným vědcům se tak patrně dostalo jednoho z nejkrásnějších vánočních dárků.
Vlastní signál se skládal z 55 cyklů gravitačních vln produkovaných během spirálového vzájemného přibližování dvou černých děr. Protože orbitální frekvence systému je polovina frekvence vlny, LIGO pozoroval posledních 27 oběhů před splynutím obou objektů. I když v tomto případě byla vyzářena pouze energie jedné hmotnosti Slunce, z porovnání s prvním a druhým případem vyplývá, že poměrná část hmotnosti proměněná na záření je vždy stejná a činí přibližně 5 % celkové hmotnosti systému. Z toho lze dále vyvodit, že proces splývání černých děr je podobný a větší nebo menší hmotnost nezpůsobuje žádné podstatné rozdíly v mechanismu spojování.
Jiný faktor, který by mohl mít vliv na proces spojování, souvisí s tím, zda některá z černých děr v systému před spojováním rotuje. Jestliže se spiny vyrovnávají, systém ztratí více energie a naopak. V případě pocházejícím z prosince bylo možno určit, že jedna ze spojujících se černých děr měla spinový parametr minimálně 0,2, což odpovídá rotační rychlosti rovné desetině rychlosti světla. Všechny finální černé díry vzniklé splynutím byly rotující (Kerrovy) černé díry, spin finální černé díry GW150914 byl kolem 0,7. I když detektor LIGO dokáže rozluštit tak zapeklité hádanky, pořád to není dost. Stále se však zdokonaluje a zvyšuje se jeho citlivost. Do budoucna se proto počítá s tím, že se výrazně zvýší také jeho schopnost určit, odkud gravitační vlny přicházejí. Všichni se těší na detektor Advanced Virgo, který se buduje v Itálii a jenž se připojí k LIGO a měl by vědcům v tomto směru pomoci.
Jak žraloci cítí velmi slabý elektrický signál
Američtí vědci objevili, že materiál konzistence rosolu, který se nachází v kůži žraloků, ale i jiných ryb, má nejvyšší protonovou vodivost, jež kdy byla v biologickém materiálu naměřena. Možná si řeknete „No a?“, jenže od žraloků vede cesta až k novým elektrickým čidlům. Želé se vyskytuje ve speciálních pórech, které živočichům pomáhají lovit. Skrze póry totiž ryba cítí extrémně slabé elektrické pole, které vytváří kořist. Nový objev nejenže pomáhá rozluštit, jak systém senzorů u těchto zvířat funguje, ale členové týmu jsou přesvědčeni, že povede k vývoji nových typů různých čidel.
Některé ryby včetně rejnoků a žraloků jsou schopny registrovat velmi slabá elektrická pole řádu 5 nV/cm, což jim umožňuje rozpoznat stahování svalů a další fyziologické aktivity potenciální kořisti. Elektrická pole registrují použitím soustavy elektrocitlivých orgánů v kůži. Ty se nazývají Lorenziniho ampule (AoL). Každá ampule obsahuje trubici, která je naplněna rosolovitou substancí, jež přichází do kontaktu s vnějším prostředím prostřednictvím pórů v kůži zvířat. Vnitřní konec trubice končí ve sklípku (alveolus), kde jsou umístěny buňky, které přenášejí elektrické signály do nervové soustavy ryb. Vědci až dosud neuměli vysvětlit, jak je tak slabý elektrický signál veden trubicí z vnějšího prostředí až do sklípku. Nyní však fyzici a biofyzici z univerzity v kalifornském Santa Cruz přišli spolu s dalšími kolegy na to, že rosol je mimořádně dobrým vodičem protonů, což může vysvětlit i zmíněný přenos elektrických signálů.
Tým zkusil testovat vzorky rosolu žraloků a rejnoků. Rosol vědci umístili mezi dvě paladiové elektrody, které jsou schopny absorbovat a emitovat velké množství protonů. Napětí přiložené na elektrody způsobí, že protony z kladné elektrody vstupují do rosolu a pohybují se směrem k záporné elektrodě. Protonový proud se snadno změří, protože je stejný jako elektrický proud, který protéká v důsledku přiloženého napětí. Přestože měření ukázala, že je rosol dobrým vodičem protonů, neposkytla přesnou hodnotu vodivosti. Protony totiž musí překonávat kontaktní odpor, když vstupují a opouštějí paladiové elektrody, a to měření vodivosti ovlivňuje. Tento problém tým obešel tak, že měření provedl také na dvou zlatých elektrodách, které byly umístěny do rosolu mezi paladiové elektrody. Měření napětí mezi zlatými elektrodami a proudu mezi paladiovými elektrodami umožnilo spočítat přesnou hodnotu vodivosti. Testy ukázaly, že protonová vodivost rosolu je až 2 mS/cm, což je dosud nejvyšší hodnota naměřená v jakémkoliv biologickém materiálu. Všichni byli naměřenou hodnotou šokováni, protože je pouze čtyřicetkrát menší než u Naflonu, což je plastový materiál užívaný v palivových článcích a dalších komerčních aplikacích, který je navržen speciálně tak, aby měl extrémně vysokou protonovou vodivost.
Vědci jsou přesvědčeni, že vysoká protonová vodivost tohoto biologického materiálu je spojena s přítomností řetězovité molekuly látky, která se nazývá keratan sulfát. Jde o kyselinu, což znamená, že každá molekula keratin sulfátu může poskytnout proton pro zvýšení vodivosti. Tyto protony jsou pak schopny pohybovat se rosolem podél řetězců molekul vody, které se vytvářejí kolem keratan sulfátu.
Odborníci tento objev považují za velmi vzrušující a podnětný. Zjištění by mělo inspirovat ke vzniku dalších studií funkcí elektrické citlivosti nejen Lorenziniho ampulí, ale také obecně různých orgánů. Takovéto údaje totiž většinou nejsou k dispozici. A nejen to, objev by měl vést až k vývoji nových typů různých druhů čidel.
Původní materiály byly uveřejněny ve Physical Review Letters, Physics World a Science Advances.
Další díly: