Hřebínek pro měření expanze vesmíru

ESO 026/08 tisková zpráva

Astronomové by prostřednictvím svých přístrojů rádi zodpověděli některé základní otázky, například jak probíhá expanze vesmíru, nebo objevili Zemi podobné planety obíhající kolem cizích hvězd. První představení nové kalibrační techniky pro přesné spektrografy je k těmto cílům opět přiblížilo. Metoda je založena na technologii zvané „frekvenční laserový (optický) hřeben“, za kterou byli autoři oceněni Nobelovou cenou, a byla představena tento týden v časopise Science.

„Vypadá to, jako bychom byli na cestě k naplnění jednoho ze snů dnešních astronomů“, říká jeden z členů týmu Theodor Hänsch, ředitel Max Planckova institutu pro kvantovou optiku (MPQ) v Německu. Hänsch společně s američanem Johnem Hallem, byli v roce 2005 za svou práci (mimo jiné na technice frekvenčního hřebenu) oceněni Nobelovou cenou za fyziku.

Spektrografy astronomové používají k rozkladu světla kosmických objektů na jednotlivé základní barvy (frekvence), podobně jako kapky deště osvětlené Sluncem vytvoří duhu. Takovým přístrojem pak vědci mohou měřit rychlosti hvězd, galaxií a kvasarů, hledat planety kolem cizích hvězd, nebo studovat expanzi vesmíru. Spektrograf však musí být precizně kalibrován, aby bylo možné správně změřit frekvenci světla. Jako nejvhodnější „pravítko“ současnosti s extrémně přesným a jemným měřítkem se nabízí laser, který můžeme mimo měření vzdáleností použít i k měření vlnové délky světla.

Nové extrémně přesné spektrografy budou zapotřebí pro budoucí experimenty například na plánovaném čtyřicetimetrovém dalekohledu E-ELT European Extremely Large Telescope, Evropský velmi velký dalekohled. Jejich kalibrace bude muset být ještě mnohem přesnější, až na 1: 30 000 000 000, což je zhruba ekvivalentní měření velkosti zemského tělesa s přesností na 1 mm.

„Prostě budeme potřebovat zařízení, které nám současné technologie nejsou schopné poskytnout. A tady přichází v úvahu laserový optický hřeben. Je třeba zmínit, že požadovaná přesnost měření radiální rychlosti 1 cm/s znamená, v ohniskové rovině spektrografu s vysokým rozlišením, posun v řádu desetin nanometru, tedy srovnatelný s velikostí některých molekul“, vysvětluje doktorand a člen týmu Constanza Araujo-Hauck.

Tato nová kalibrační technika je výsledkem aplikace kvantové optiky v astronomii, ve spolupráci vědců ESO a Max Planckova Institutu pro kvantovou optiku. Využívá ultrakrátké pulsy laserového světla k vytvoření frekvenčního hřebenu – optických značek mnoha různých frekvencí s konstantní mezerou mezi sebou – k vytvoření velmi přesného měřítka potřebného ke kalibraci spektrografu.

Po úspěšných testech v laboratořích MPQ v roce 2007, byl 8. března 2008 prototyp zařízení využívajícího laserový optický hřeben úspěšně odzkoušen také na slunečním teleskopu VTT (Vacuum Tower Telescope) na Tenerife, kde měřil sluneční spektrum v oblasti infračerveného záření. Výsledky jsou již nyní ohromující a postup slibuje dosažení přesností potřebné ke studiu základních astronomických otázek.

„Při našich pokusech na Tenerife jsme již dosáhli lepších výsledků než umožňuje jakákoliv jiná technologie současnosti. Nyní je naším úkolem systém zdokonalit pro univerzální použití,“ říká člen týmu Tilo Steinmetz (Menlo Systems GmbH, dceřiná společnost Max Planckova Institutu založená za účelem komerčního využití technologie laserového optického hřebenu).

Po testech na slunečním dalekohledu a před aplikací v budoucí generaci teleskopů, je nyní připravována verze pro spektrograf HARPS, což je zařízení určené pro vyhledávání extrasolárních planet, které pracuje ve spojení s dalekohledem NTT o průměru zrcadla 3,6 m na observatoři La Silla v Chile.

Jedním z úkolů budoucího dalekohledu E-ELT, jenž je součástí projektu CODEX, je přímé měření zrychlování expanze vesmíru v rámci dvacet let trvajícího sledování vzdálených galaxií a kvasarů. To umožní astronomům testovat důsledky Einsteinovy obecné teorie relativity a povahu nedávno objevené a stále záhadné temné energie.

„Rychlost těchto vzdálených galaxií je potřeba změřit s přesností na několik centimetrů za sekundu a sledovat její změny po dobu desetiletí. Tato rychlost je sotva o něco vyšší než rychlost pohybu hlemýždě, a proto je laserový optický hřeben pro tento úkol nepostradatelný,“ říká člen týmu Antonio Manescau, z ESO.

Astronomové používají spektrografy také ke hledání extrasolárních planet, když pozorují jak se hvězda pomalu pohybuje v důsledku oběhu planety. Se současnými technologiemi musí být planety poměrně velké a blízko hvězdy (ve srovnání se Zemí), aby bylo možné je touto technikou vůbec detekovat. Přesnější spektrografy astronomům umožní nalézt také planety Zemi podobnější.  

Více informací

"Laser Frequency Combs for Astronomical Obervations", by T. Steinmetz et al., Science, 5 Sept. 2008.

členové týmu: Constanza Araujo-Hauck, Antonio Manescau, Luca Pasquini, Hans Dekker a Sandro D'Odorico (ESO), Thomas Udem, Tobias Wilken a Theodor Hänsch (Max-Planck Institute for Quantum Optics, Německo), Ronald Holzwarth a Tilo Steinmetz (Menlo Systems GmbH), Michael Murphy (Swinburne University, Victoria, Australia), Thomas Kentischer a Wolfgang Schmidt (Kiepenheuer Institute for Solar Physics, Freiburg, Německo).
 

Více informací o Nobelových cenách za rok 2005 (Nobel Prize page).

Popis projektu laserového optického hřebene je dostupný na ESO Messenger (volume 129, page 24).

Prohlédněte si též doplňkový materiál na http://astronomy.swin.edu.au/~mmurphy/freqcomb_demo/

autor: Jiří Srba