JWST přichází, aneb výzkum obyvatelných planet přinese krev, pot a slzy

Dali NASA a zákonodárce, tak za tři roky odstartuje do vesmíru oficiální nástupce Hubblova dalekohledu – Kosmický dalekohled Jamese Webba. Ten může prozkoumat atmosféry obyvatelných planet, ale má to háček.

www.novedalekohledy.cz

Za tři roky se začne psát nová éra astronomie, kterou lze označit jako JWST-ELT. Co to znamená? Pod zkratkou JWST se ukrývá Kosmický dalekohled Jamese Webba. Oficiálně má jít o nástupce Hubblova dalekohledu a my tajně doufáme, že oba přístroje budou nějaký ten pátek pracovat společně (Hubble by mohl vydržet do roku 2020 a možná i déle).

JWST ale s Hubblovým dalekohledem nemá prakticky nic společného. Nebude pozorovat ve viditelné, ale v infračervené části spektra, bude mít podstatně větší a segmentové zrcadlo a nebude umístěn na oběžnou dráhu Země ale do libračního centra. Hubble vycházel konstrukčně ze špionážních družic, JWST vypadá podstatně futurističtěji. Jediné, co je spojuje, je punc mega dalekohledu své doby – oba jsou ve své době dominantní, drazí a směřují k nim velké naděje. JWST se během své stavby ukrutně prodražil. Dokonce tak moc, že se uvažovalo o jeho zrušení pod tíhou amerického hesla „je jedno kolik to stálo, důležité je, kolik se na tom ušetřilo.“ Nakonec bude JWST stát přes 8 miliard dolarů. To spolehlivě zmasakrovalo všechny jiné větší kosmické projekty v americkém okolním časoprostoru.

ELT je zkratka pro extrémně velký dalekohled. Dnes máme největší pozemské dalekohledy o průměru 10 metrů. Je to zjednodušení, protože zde jsou všechny ty interferometry (více dalekohledů pracuje současně) a binokulár. Nyní ale přichází velký skok a větší přístroje:

  • Velký Magellanův dalekohled (GMT): sedm zrcadel o průměru osm metrů na jedné montáži vytvoří teleskop s ekvivalentním průměrem 22 metrů. Vřele doporučuji zajímavý rozhovor s Čechem, který na něm pracuje (VTM.cz). Staví se na Las Campanas v Chile a bude snad hotov kolem roku 2020. Jako první z velké extra trojky.
  • Třicetimetrový dalekohled (TMT): jeho stavba začala na havajské Mauna Kea vloni v létě a dokončen by měl být v roce 2022. Jeho velikost asi není třeba upřesňovat.
  • Evropský extrémně velký dalekohled (E-ELT): budoucí vlajková loď Evropské jižní observatoře se staví v Chile na hoře Cerro Armazones a bude mít průměr necelých 40 metrů. Spuštění je v plánu někdy kolem roku 2024.

V relativně dohledné době se tak astronomie dočká nových a velmi výkonných zbraní. Tyto dalekohledy by měly být schopné zkoumat i atmosféry menších exoplanet u blízkých červených trpaslíků. Začne v té době skutečné hledání života?

Počet exoplanet podobných Zemi v obyvatelné zóně u červených trpaslíků lze spočítat na prstech jedné ruky. Možná i dvou rukou, ale to už musíme vzít v úvahu spíše horší kousky. Dva nové úlovky jsou bohužel dost daleko Kepler-438 (500 světelných let), Kepler-442 (1000 světelných let). Potřebovali bychom spíše bližší červené trpaslíky. Bližší na co? No přece na výzkum atmosfér těchto planet.

Ještě na hodně dlouho musíme zapomenout na to, že budeme hledat podobně velké exoplanety přímou metodou a následně zkoumat jejich atmosféru. Pozorovat cizí světy přímo dnes už sice dokážeme, ale jedná se o mladé (a horké) a obří planety na velmi vzdálených drahách.

Blízká budoucnost proto patří zkoumání tranzitujících exoplanet. Během pozorování oběhu planety kolem hvězdy lze už dnes v případě velkých planet (pozemské dalekohledy, Spitzer, Hubblův dalekohled) zjistit složení, sestavit teplotní mapu atmosféry nebo odhadnout albedo (kolik světla planeta odráží).

Oběh tranzitující exoplanety, zdroj: Cowan 2014
Oběh tranzitující exoplanety, zdroj: Cowan 2014

Atmosféra planety se zkoumá například tak, že se pozoruje spektrum hvězdy v okamžiku tranzitu (vidíme fakticky spektrum hvězdy + planety) a následně v době, kdy je planeta schovaná za hvězdou. Obě spektra se pak „odečtou“.

Existuje jakýsi poradní orgán (Exoplanet Exploration Program Analysis Group – ExoPAG), který nedávno načrtl budoucnost výzkumu atmosfér potenciálně obyvatelných tranzitujících exoplanet u červených trpaslíků. Zcela příjemné čtení to ale není.

Výzkum obyvatelných planet: krev a pot

Podle zprávy je průzkum atmosféry malé kamenné planety extrémně (a slovo extrémně není v tomto případě dostatečně vystihující) složité, drahé a vůbec náročné na trpělivost. Dalekohled (ELT nebo JWST) musí nad pozorováním dané planety strávit hodně času, což s ohledem na obecné zaměření těchto dalekohledů není vůbec jednoduché a vyvstává zde otázka efektivity.

Kdybychom si to opravdu hodně zjednodušili a k něčemu přirovnali. Představte si, že k výzkumu atmosféry potřebujete 1000 fotonů (je to nesmysl, ale řekněme, že to tak je). Horký jupiter už dle svého označení pošle k Zemi při jednom oběhu 800 fotonů. Stačí vám tak pozorovat 1, 2 tranzity a máte hotovo. Planeta o velikosti Země ale pošle jeden foton. Musíte tak pozorovat 1000 oběhů a to je už pořádá fuška.

Čísla v předešlém odstavci samozřejmě neodpovídají realitě, ale chceme tím demonstrovat to, že pozorování planet zemského typu vyžaduje týdny nebo spíše měsíce pozorovacího času.

Na exoplanety by u JWST mohlo připadnout asi 25% času. U pětileté primární mise je to reálně 320 dní (dalekohled nepracuje nonstop). Podle analýzy to znamená, že by JWST mohl: vytvořit teplotní mapu 150 obřích planet, prozkoumat atmosféru 25 obrů (typu Neptun a větší) nebo prozkoumat obyvatelnost si 3 menších planet u červených trpaslíků.

Ano, na průzkum tří potenciálně obyvatelných planet u červených trpaslíků může padnout 320 dní pozorovacího času. Není to férový propočet, ale čistě teoreticky by výzkum jedné planety stál více než 600 milionů dolarů, což je cena dalekohledu Kepler!!

Co s tím? Bude to chtít zvolit co nejlepší možnou strategii.

I s malým kašpárkem se dá sehrát velké divadlo…

Analýza doporučuje stavbu menšího asi metrového kosmického dalekohledu, který by odstartoval kolem roku 2020 a zabýval se průzkumem atmosfér velkých planet. Nemuselo by se plýtvat časem JWST, který by pozoroval jen vybrané zajímavé cíle. Je to trochu vtipné, protože před pár dny stavbu podobného dalekohledu oznámili Britové. Bohužel zatím neznáme moc podrobností o dalekohledu s názvem Twinkle.

Twinkle-Front-Quarter

…a platí to i pro Zemi

Zpráva zároveň zmiňuje i pozemské observatoře. Spuštěním ELT by se mohlo poněkud ulevit současným desetimetrům. Dalekohled s průměrem kolem 10 m by mohl bez problémů pozorovat atmosféry obřích planet. Ještě lepším řešením ale mohou být paradoxně dalekohledy o průměru 4 metrů, kde nemusí být takový přetlak v pozorovacím čase. Pozorování čtyř tranzitů čtyřmetrovým dalekohledem je ekvivalentem pozorování dvou tranzitů osmimetrovým dalekohledem.

Bohužel čtyřmetrových dalekohledů (a spektrografů na nich) moc není:

  • 3,8 m UKIRT (přístroje CHHT, WFCAM)
  • 4 m Mayall Telescope (přístroj KPNO)
  • 4,1 m SOAR (Spartan IR Camera)

Pouze CFHT a WFCAM jsou ale využívány pro studium exoplanet.

Příchod ELT pak může přinést především možnost výzkumu planet u slabších hvězd a vyšší přesnost u těch jasných.

Prvním krokem tedy bude objevení nových potenciálně obyvatelných exoplanet u červených trpaslíků a to zejména družicí TESS. Co bude potom, se teprve uvidí. ExoPAG přinesla jisté podklady, na základě kterých (a dalších studií) bude muset být naordinována co nejlepší strategie pozorovacího času pro JWST.

Zdroj: Characterizing Transiting Planet Atmospheres through 2025

Foto: GMT, TMT, ESO, NASA