Těžko bychom si představili vzdálenější vědecké obory, než jsou astrofyzika a biologie. Přesto mohou najít společnou řeč. Výsledkem je rentgenový dalekohled české výroby, který je inspirovaný račím okem a letos se vydá na oběžnou dráhu.
Vesmírné objekty můžeme pozorovat v nejrůznějších vlnových délkách – od rádiových vln přes infračervené, viditelné, ultrafialové a rentgenové záření až po nejenergetičtější paprsky gama. Atmosféra naštěstí propouští jen některé z nich, jinak by na Zemi nemohl existovat život. Pro vědce to ovšem znamená, že pokud chtějí pozorovat vesmír například v rentgenové části spektra, musí svoje přístroje vyslat na oběžnou dráhu.
Právě rentgenové záření přitom astrofyziky nesmírně zajímá. „Vzniká všude tam, kde se děje něco zajímavého – ať jsou to například kompaktní hvězdy, neutronové hvězdy nebo černé díry. Zkrátka na místech, kde se hmota nachází v extrémních podmínkách, kupříkladu dosahuje teploty v řádu milionů stupňů,“ vysvětluje docent René Hudec z Fakulty elektrotechnické ČVUT a Astronomického ústavu AV ČR.
Zároveň jsou ale rentgenové paprsky téměř nepolapitelné. Na rozdíl od optického záření se neodrážejí od zrcadel běžně užívaných v astronomických dalekohledech, ale nerušeně skrz ně procházejí. Odrazí se jen v případě, že na zrcadlo dopadnou pod velmi ostrým úhlem. Na oběžné dráze funguje několik velkých rentgenových observatoří a plánují se další. Tvoří je složité soustavy různě natočených zrcadel, která směrují paprsky do detektoru. Jejich nevýhodou je velmi úzké zorné pole – méně než jeden úhlový stupeň.
Zrak v temných hlubinách
Právě zde přichází ke slovu inspirace přírodou. Rak má velmi široké zorné pole a jeho oči využívají dopadu světla pod velmi ostrým úhlem – právě tak, jak to potřebují rentgenoví astronomové. Stejně jako hmyz má i rak složené oči. Oproti hmyzu se však u raka světlo před dopadem na sítnici odráží od vnitřních stěn jednotlivých oček, která mají čtvercový průřez. „Rak tedy nevyužívá k tvorbě obrazu na sítnici lomu světla, nýbrž jeho odrazu,“ vysvětluje Kateřina Remišová, studentka Přírodovědecké fakulty UK v Praze.
Astronomie a biologie jsou dva různé světy, ale někdy není na škodu je propojit. V rámci projektu Otevřená věda Akademie věd vypsal René Hudec stáž, na niž se přihlásila právě i studentka biologie Kateřina Remišová. „Mým úkolem byla především teoretická příprava, takže jsem zpracovávala rešerši vědeckých článků na téma zrcadlových očí,“ říká Kateřina Remišová. Výstupem byla vloni její anglicky psaná bakalářská práce na téma Fyziologie speciálních zrcadlových očí měkkýšů, korýšů a hlubinných ryb, ale také úspěšná prezentace na mezinárodních konferencích o kosmické optice v Karlových Varech a ve francouzském Biarritz.
Jak napovídá název bakalářské práce, rak není jediným živočichem se zrcadlovýma očima. Vedle některých mlžů jsou jimi vybaveny také dva druhy hlubinných ryb obývající teplé vody Atlantiku a Tichého oceánu. „Žijí v tzv. mezopelagiálu, což je zóna volného oceánu v hloubkách zhruba od 200 do 1000 metrů. Potkávají se v ní dva zdroje světla – sluneční a měsíční záření na jedné straně a bioluminiscenční záblesky na straně druhé,“ konstatuje Kateřina Remišová. Právě kvůli různým zdrojům světla mají tyto ryby oči rozdělené na dvě části. Hlavní část tvoří oko s kulatou čočkou, stejné jako u ostatních ryb, ale vedle toho mají postranní výchlipky s biologickým zrcadlem. Ta jim umožňují zaznamenávat bioluminiscenční záblesky z hlubin oceánu – podobně jako se astrofyzikové snaží zachycovat rentgenové záblesky z hlubin vesmíru.
„Přínos Kateřiny Remišové spočívá především v tom, že soustředila na jedno místo tematicky související studie, a udělala to perfektně,“ říká René Hudec. On i stážistka se shodují, že interdisciplinarita je to, co je na společném tématu baví, přestože není vždy snadné najít společnou řeč: fyzikové a biologové používají jinou terminologii, takže popisují stejné věci jinými slovy. Kromě toho je zajímají rozdílné jevy, takže v biologické studii najdete kupříkladu podrobný popis proteinů tvořících biologické zrcadlo, ale nedozvíte se optické parametry zkoumaného oka – jeho zorný úhel, úhlové rozlišení nebo světelnost. René Hudec dále poukazuje na to, že o zrcadlových očích vodních živočichů nevíme stále zdaleka všechno a zaslouží si další výzkum.
Od myšlenky k realizaci
Myšlenka využití račího oka v astronomii je ve světě známa už od 70. let 20. století. Navrhli ho s poněkud odlišným technickým řešením nezávisle na sobě americký astronom Roger Angel a Němec W. K. H. Schmidt. Dlouho ale jejich koncepty zůstávaly jen na papíře. Dotáhnout je do funkční podoby se daří teprve v posledních letech. Tým vědců z Leicesterské univerzity ve Velké Británii vychází z Angelova návrhu a pracuje na konstrukci rentgenového dalekohledu se zrcadlovými kanálky o čtvercovém průměru. Čeští experti zvolili místo čtvercových kanálků, které se špatně vyrábějí, jednodušší, ale funkčně rovnocenný Schmidtův koncept. Je založený na dvou dílčích modulech vějířovitého tvaru, které jsou vůči sobě kolmo uspořádány. Skládají se z tenkých substrátů, které jsou mimořádně odolné vůči deformacím. Tento typ optiky se v Česku studuje už 25 let v rámci konsorcia více subjektů, z nichž k hlavním patří Astronomický ústav AV ČR, FEL ČVUT, FJFI ČVUT a Rigaku Innovative Technologies Europe. Vlastní sestavování modulů probíhá v posledních letech ve společnosti Rigaku ve spolupráci s užším konsorciem.
Optika typu „račí oko“ je sice méně citlivá než složitá zrcadla velkých rentgenových družic, ale má oproti nim mnohem širší zorné pole. Teoreticky může sledovat celou oblohu. Může tedy posloužit jako hledáček, který upozorní například na výbuch rentgenového zdroje nebo jinou extrémní událost, na niž se pak zaměří velké přesné družice. Vedle toho se může uplatnit i při předpovídání kosmického počasí, protože dokáže v reálném čase sledovat erupce na Slunci. Může sloužit také ke studiu procesů v zemské atmosféře – stačí, aby se místo vzdáleného vesmíru zaměřilo na naši planetu a může z oběžné dráhy pozorovat rentgenové blesky tropických bouřek.
S Indií na oběžnou dráhu
Prototyp optiky typu „račí oko“ se má podívat do vesmíru už letos v dubnu na české nanodružici VZLUSAT-1, která vznikla v režii Výzkumného zkušebního leteckého ústavu spolu s několika firmami (VZLÚ, 5M, Rigaku Innovative Technologies Europe, HVM Plasma, TTS, IST) i akademickými pracovišti. Detekce rentgenového záření je založena na pixelovém detektoru Timepix, vyvinutém v rámci mezinárodního konsorcia v Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT. Na přípravě družice se podílí zhruba 35 lidí včetně studentů FEL ČVUT v Praze a Západočeské univerzity v Plzni.„Je to hezký příklad spolupráce vědy a průmyslu,“ říká Adolf Inneman ze společnosti Rigaku a katedry radioelektroniky FEL ČVUT.
Vedle rentgenového dalekohledu bude mít družice na palubě nový kompozitní materiál pro stínění kosmického záření a vědecký přístroj FIPEX pro měření koncentrace kyslíku v atmosféře.
Hlavním cílem projektu VZLUSAT-1 je vývoj nových technologií a jejich testování na oběžné dráze Země. V budoucnu mohou najít uplatnění v astronomii při výzkumu černých děr či supernov, při hledání gravitačních vln a podobně, ale i při vývoji takových zařízení, jako je například nový typ radiačního štítu pro kosmické lodě nebo detektor radiace použitelný jako osobní dozimetr. Na oběžnou dráhu poletí zmiňovaný nanosatelit v rámci mezinárodního projektu QB50, který vynese na oběžnou dráhu 50 CubeSatů. Nanodružice se na nosné rakety přidávají vlastně jako „závaží“ při startu velkých družic, takže jsou závislé na tom, kdy je někdo „sveze“ nahoru.
Start byl několikrát odložen, nakonec by měla nanosatelit VZLUSAT-1 vynést indická raketa PSLV. Start je ohlášený na 7. dubna. Raketa vynese družice na polární dráhu do výšky 520 km, kde by mohly fungovat až několik let. „Probíhají poslední revize dokumentů, výměny dat a schvalování předstartovní kontroly. Družice je již odevzdána do Nizozemí ke kompletaci do vystřelovače. Start v dubnu je tedy vysoce pravděpodobný,“ uvádí Vladimír Dániel z VZLU. Celá nanodružice váží kolem dvou kilogramů a její rozměr je 10 x 10 x 20 cm. Na oběžné dráze se po vysunutí rentgenové optiky zvětší na rozměry 10 x 10 x 35 cm. Jde o družici typu CubeSat, které původně sloužily pro univerzitní projekty studentů, ale dnes je využívají i komerční společnosti pro rychlé a relativně levné ověření materiálů a technologií.
Družice stála několik desítek milionů korun, projekt finančně podpořila Technologická agentura ČR. Třetina peněz pochází od partnerských firem, které dostaly možnost otestovat své výrobky na oběžné dráze.
Na skok do vesmíru
Raketa PSLV ale nezajistí jediný na letošek plánovaný výlet račího oka do kosmu. V srpnu se má další rentgenová optika spolu s detektorem Timepix podívat alespoň na deset minut do vesmíru na raketě s balistickou dráhou letu v rámci experimentu na Pensylvánské univerzitě v USA. Cílem je jednak prověření samotných technologií – jejich odolnost proti vibracím, přetížení a podobně, ale zároveň je v plánu i vědecké pozorování. Račí oko se zaměří na mlhovinu Vela, která se nachází na jižní obloze v souhvězdí Plachty a je pozůstatkem výbuchu supernovy před 11 tisíci lety. Pohrobkem této supernovy je rychle rotující neutronová hvězda – pulsar, který je zdrojem rentgenového záření. Zároveň se v této oblasti rodí nové hvězdy, takže její pozorování může přispět k poznání, jak vlastně vznikl náš svět.
Česká stopa
Rentgenová astronomie má v našich zemích dlouhou tradici. První objektiv na rentgenové záření sestrojili na Astronomickém ústavu tehdejší ČSAV v Ondřejově už v roce 1970. Docent René Hudec se do přípravy rentgenových dalekohledů zapojil už v rámci své diplomové práce v letech 1974/1975 a po ukončení studia měl v Ondřejově na starosti vývoj dalších rentgenových objektivů i dalekohledů. První české rentgenové objektivy sloužily k pozorování Slunce na družicích Interkosmos. Mezi další výrazné osobnosti rentgenové optiky patří Ing. Adolf Inneman a docent Ladislav Pína, kteří dnes působí ve společnosti Rigaku a na ČVUT Praha.
Dnes jsou Češi zapojeni do řady mezinárodních projektů. Podíleli se i na přípravách velkých evropských družic IXO a LOFT, které se nakonec nedočkaly realizace. Dnes jsou v mezinárodním konsorciu plánované dvě evropské rentgenové družice. Athena, která má startovat v roce 2028 a družice SMILE, pro sledování zemské magnetosféry v rentgenovém spektru, kterou Evropská kosmická agentura připravuje spolu s Čínskou akademií věd. Startovat má v roce 2021. Uvažuje se také o ryze české astronomické družici BRITE CZ pro výzkum kosmických zdrojů rentgenového a ultrafialového záření. Na její studii pracuje Astronomický ústav AV ČR spolu s FEL ČVUT a dalšími institucemi.
Čekání na další družici
Na oběžné dráze pracuje už delší dobu evropská rentgenová družice XMM Newton a její americká kolegyně Chandra, stejně jako americká družice Swift zaměřená na nejextrémnější gama záření. Japonská rentgenová družice Hitomi vloni krátce po startu selhala. Plánuje se nová velká družice, ale několik projektů v minulých letech z finančních i organizačních důvodů ztroskotalo. Americká kosmická agentura NASA uvažovala o vlastní družici Constellation X, zatímco evropská ESA plánovala spolu s Japonci podobné zařízení zvané XEUS. Pak se týmy z obou stran Atlantiku rozhodly spojit síly a finance ve společném projektu IXO, ani ten se ale realizace nedočkal.
Do fáze realizace se nedostala ani další plánovaná rentgenová družice LOFT. Kosmické agentury se vždy musejí rozhodovat mezi několika konkurenčními projekty zaměřenými na jiné astronomické disciplíny, na podporu všech nemají prostředky. V posledních letech dostával přednost výzkum sluneční soustavy a exoplanet. Rentgenoví astronomové ale věří, že evropský projekt Athena, který má nahradit zrušené IXO, se kolem roku 2028 dočká realizace.
Hlavním problémem je technická i finanční náročnost rentgenových zrcadel. Podle Adolfa Innemana by bylo ideálním řešením přesvědčit mezinárodní vědeckou komunitu, že nejlepším řešením není nákladně a složitě vyrábět přesná zrcadla, ale vzít komerčně dostupné substráty, které lze vyrobit běžně dostupnými technologiemi, a vhodně je modifikovat. Posloužit by mohly například skleněné substráty, které se vyrábějí jako ochranné skleněné fólie LCD displejů. „To je podle mě nejlacinější cesta pro velké dalekohledy budoucnosti,“ uzavírá odborník.