Přehlídkový projekt CLASH

Logo projektu CLASH - (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble).

Existence temné hmoty ve vesmíru je dnes všeobecně uznávanou kosmologickou skutečností. Jde o entitu, kterou činíme odpovědnou za soudržnost galaktických kup a srovnatelně velkých nadgalaktických struktur. V měřítku sluneční soustavy se prakticky neprojevuje nebo se astronomům prozatím nepodařilo měřitelné projevy odhalit. Temné hmoty je ale ve vesmírném prostoru zhruba šestkrát více než hmoty baryonové , ze které jsou veškerá viditelná tělesa, hvězdy a mezihvězdná látka. Jde tedy o velmi významnou složku vesmírné kompozice. Byla navržena v polovině třicátých let jako potřebná konstrukce zajišťující soudržnost galaktické kupy ve Vlasech Bereniky. V šedesátých letech pak byla tato hypotéza přijata i jako nezbytný předpoklad pro udržení celistvosti celé naší galaktické soustavy – Mléčné dráhy. V posledních dvou dekádách dvacátého století pak proběhlo několik projektů, které se cíleně zabývaly hledáním čehokoliv, co by mohlo vysvětlit napozorovaná data a mohlo být onou hledanou entitou. Postupně byly vylučovány drobné objekty ze známé baryonové hmoty jako například skryté hvězdy, hnědí trpaslíci , černé díry , drobná tělesa typu planet apod. Je možné, že se na tom, co souhrnně označujeme temnou hmotou, také nějakou měrou tyto objekty podílejí, netvoří však s jistotou její významnou část. Další možnost, že by mohlo jít o subatomární částice známé či neznámé povahy, zůstala prozatím také nepotvrzena. Některé experimenty byly ukončeny, jiné probíhají a také se chystají nové, které v pátrání po podstatě temné hmoty navazují většinou na neúspěchy předchozích. Víceméně jediné, co dnes o temné hmotě dokážeme s jistotou říci je, že jde o něco, co vytváří struktury v měřítku galaxií a větším. Dále víme, že se temná hmota projevuje gravitačně a lze ji tedy odhalit z jejích gravitačních projevů na svítící, lépe detekovatelnou látku. Z gravitačních projevů viditelné baryonové látky, pokud se podaří změřit její dynamické charakteristiky, lze tedy dopočítat rozložení temné hmoty, která se nachází v jejím bezprostředním okolí. Příkladem takto zmapované struktury jsou blízké galaktické kupy, ale také například galaktická kupa 1E 0657-56, ve které dochází při pronikání dvou kup současně k ovlivňování související struktury temné hmoty.

Dalším ze způsobů, jak odhalit temnou hmotu, je využití jejího vlivu na světlo. Velmi hmotné struktury způsobí zkreslení obrazu vzdálených viditelných objektů, jestliže stojí v cestě mezi nimi a pozorovatelem. Jde o známý jev gravitačního čočkování, který byl již mnohokrát pozorován a popsán a je vysvětlitelný pomocí obecné teorie relativity. Ponejprv se při předpovědi gravitačního čočkování astronomové a fyzikové domnívali, že půjde o velmi řídké případy, které snad ani nebudou moci být využity. Pozorovat gravitační čočku se s tehdejší technikou v první polovině minulého století zdálo příliš nepravděpodobné. Po vypuštění Hubblova vesmírného dalekohledu se ale situace radikálně změnila. Dnes jsou známy stovky případů pozorovaných zkreslených obrazů vzdálených objektů, jejichž příčinou je gravitační čočkování a které lze využít pro systematický výzkum vzdálených oblastí vesmíru. Pilotním projektem mapování temné hmoty v úzké části oblohy byl v roce 2007 projekt COSMOS (Cosmic Evolution Survey, viz [9]), který zmapoval oblast 1,5° × 1,5° do hloubky 6,5 miliardy roků. Ze získaných časoprostorových řezů svítících struktur se pak podařilo dopočítat historicky první časoprostorovou mapu temné hmoty.

Gravitační čočkování vzdálenými galaxiemi ještě vzdálenějších objektů. Jde o šest vybraných exemplářů
ze 67 velmi silně čočkujících galaxií zachycených při projektu COSMOS. Zdroj: HST

Projekt CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) je novým z přehlídkových projektů ambiciózního snímkování hlubokých výseků vesmíru na hranicích dostupnosti pomocí HST. Tentokrát jde poprvé o celooblohovou přehlídku. Jelikož je nemožné v takovém rozsahu s požadovanou přesností zmapovat ve velmi vysokém rozlišení celou oblohu, bylo vybráno ve všech směrech jen 25 galaktických kup ve velkých vzdálenostech, které byly vytipovány na základě předchozích přehlídek. Tyto jsou postupně snímkovány dlouhými expozicemi pokrývajícími celé spektrum, ve kterém HST pracuje. Galaktické kupy


byly vybrány ve vzdálenostech odpovídajících intervalu 0.15 < z < 0.9. Druhým kritériem pro zařazení do programu byla míra čočkování vyjádřená jako tzv. Einsteinův poloměr. Jde o poloměr zobrazených čočkovaných oblouků vzdáleného objektu, které se vytvářejí kolem čočkující galaxie nebo galaktické kupy. Čím jsou oblouky od čočkujícího jádra kupy ve větší zdánlivé vzdálenosti, tím silnější gravitační čočku pozorujeme. Poloměr se dá přímo změřit na pořízeném snímku v úhlové míře. Dvacet ze sledovaných kup má Einsteinův poloměr v hodnotách 15“ ÷ 30“. Pět kup sem bylo zařazeno právě kvůli extrémně vysoké hodnotě Einsteinova poloměru. Jeho hodnoty se pohybují v intervalu 35“ ÷ 55“. Pozorovací program pro každou kupu je prováděn v celkem šestnácti vybraných pásmech pomocí kamer ACS a WFC 3. Jelikož jde o velmi vzdálené a tedy i velmi slabé světelné zdroje, snímání pro každý jednotlivý filtr zabere od jednoho do dvou oběhů HST. Čočkované oblouky vzdálených objektů svítí v rozsahu magnitud 25 až 28. Pro přesné fotometrické vyhodnocení záznamu je možno použít řadu úzkopásmových filtrů. Srovnáním získaných záznamů tak lze s dostatečnou přesností určit nejen obrazové zkreslení, ale zejména červený posuv čočkovaného objektu a tedy stanovit jeho časoprostorové určení. Zhruba lze odhadnout pořízení všech potřebných snímků pro jednu galaktickou kupu v horizontu 20 oběhů. Snímkování bylo rozplánováno na tři roky a projektu by mělo být věnováno celkem 524 oběhů HST. Jde tedy o projekt velmi náročný na pozorovací čas. V současné době je dokončeno snímkování šesti vybraných kup, probíhá snímkování pěti dalších, které by mělo být ukončeno vesměs do konce tohoto roku. Podrobný průběh lze nalézt na stránkách projektu CLASH.

Rozmístění galaktických kup zařazených do projektu CLASH na obloze a jejich označení s odpovídajícím červeným posuvem. Celooblohové zobrazení je podloženo mapou prachoplynné struktury Mléčné dráhy v galaktických souřadnicích. Zdroj: Marc Postman/STSCI

Objekt deformovaný gravitačním čočkováním. Vlevo je snímek, vpravo rekonstrukce, jak bychom ho pozorovali, kdyby nebyl zesílen či zkreslen gravitační čočkou. Objekt je ve vzdálenosti z = 4,92. Zdroj: Adi Zitrin a kol.

Snímek galaktické kupy A383 (z = 0,189) zobrazený pomocí HST/ACS. Sever je nahoře, východ nalevo. Je zde očíslováno 27 čočkovaných objektů. Obalové křivky bílá a červená vyznačují různé hmotné a prostorové struktury, které byly v kupě díky čočkování rozpoznány. Bíle ohraničený systém čočkuje objekty ve vzdálenosti z = 2,55. Kritická oblast vytvářející efektivní Einsteinův poloměr velikosti 16,3“ odpovídá podle červeného posuvu oblasti veliké 52 kpc. Červeně ohraničený systém čočkuje objekty ležící ve vzdálenosti z = 6,027. Zdroj: Adi Zitrin a kol.

Model 2D rozložení hmoty ve struktuře galaktické kupy A383 dopočítané podle čočkovaných struktur ve vzdálenostiz = 2,55. Jde o zřetelně koncentrickou strukturu, která příliš neodpovídá rozložení svítící hmoty zobrazené na horním snímku. Zdroj: Adi Zitrin a kol.

Projekt CLASH si klade za cíl zjistit rozložení temné hmoty ve velkých vzdálenostech na úrovni galaktických kup za pomoci gravitačního čočkování. Plánovaná přesnost nebyla dosažena v žádném jiném projektu. CLASH umožní zajisté nalézt a proměřit množství supernov typu Ia, které poslouží ke kalibraci vzdálenosti a očekává se potvrzení zrychlující se expanze vesmíru. Měření supernov typu Ia bude použito nejen pro změření vzdálenosti nezávislé na červeném posuvu, ale také pro upřesnění současných kosmologických teorií. Projekt by dále mohl, díky velmi dlouhým expozičním dobám, nalézt objekty, jejichž z > 7. Tyto objekty by se měly nacházet ve vesmíru v době, kdy byl mladší než 800 milionů roků. Prozatím už sice byly nalezeny i objekty, jejichž z ≈ 10, dosud však šlo jen o velmi úzce vymezené úhlové výseky. Projekt CLASH je první přehlídkou, která má možnost zmapovat stejným způsobem poměrně rovnoměrně vybraná místa ve všech směrech okolního vesmíru. Mohli bychom tak zjistit, zda je vesmír opravdu ve všech směrech srovnatelně stejnorodý. V neposlední řadě půjde o podrobné studium vnitřní struktury galaktických kup ve velkých vzdálenostech. Zde jde,díky všesměrovému rozložení pozorovaných objektů, opět o velmi cenná a srovnatelná data.

Odkazy