Najchladnejšie miesto vo vesmíre

(preklad článku BBC Why the coldest place in the universe is so special)

Hmlovina Bumerang, zvláštny a extrémne chladný objekt vzdialený päťtisíc svetelných rokov, odhaľuje svoje tajomstvá.

Vesmír je chladný. Veľmi chladný. Prázdny priestor, vzdialený od hviezdy či iného horúceho telesa, má teplotu zhruba -270 stupňov Celzia.

Hoci je to neskutočne chladná teplota – dostatočne nízka, aby zmrazila všetok vodík na Zemi –, stále je zhruba o 2,7 stupňa vyššia ako absolútna nula, čo je najnižšia možná teplota. Zdrojom týchto pár stupňov je v skutočnosti žiariaci pozostatok Veľkého tresku.

V tej radiácii sa „kúpe“ celý vesmír a nazýva sa „mikrovlnné pozadie“. Je zložité tieto stupne opomenúť a preto má väčšia časť vesmíru „až“ -270 stupňov.

Ale nie je to tak všade.

Hmlovina Bumerang v infračervenom svetle.

Vo veľkom súhvezdí južnej oblohy, zvanom Centaurus a vzdialenom päťtisíc svetelných rokov, sa nachádza hmlovina Bumerang, mračno plynu, ktoré vyvrhla umierajúca hviezda.

Toto mračno je jedným z najbizarnejších a najzáhadnejších objektov vo vesmíre. Astronómi zistili, že v tomto plyne teplota klesá až na pol stupňa nad absolútnou nulou.

Pokiaľ vieme, je to najchladnejšie miesto vo vesmíre.

Možno je to i veľmi dôležité miesto. Je to kvôli tomu, že toto najchladnejšie miesto (a aj objekty jemu podobné) by mohlo pomôcť v odhaľovaní mnohých kozmických hádaniek – počnúc násilnými, ale uchvacujúcimi úmrtiami hviezd, cez formovanie galaxií, končiac kozmickými explóziami či pôvodom života.

Smrť hviezd, zrodenie života

Hmlovina Bumerang je v mnohých ohľadoch pozoruhodná. Všetky hviezdy musia raz zomrieť. Keď sa skončí život tých menších (ktoré sú najmenej osemkrát hmotnejšie než naše Slnko), vznikne podobný úkaz plný plynu a prachu.

Nestabilný červený obor vyvrhne na sklonku svojho života plyn.

Počas tejto transformácie každá umierajúca hviezda nízkej hmotnosti ochladne a nafúkne sa – stane sa červeným obrom. O niekoľko miliárd rokov, keď naše Slnko minie svoje jadrové palivo, podobne sa schladí a narastie i ono, až kým nepohltí Merkúr, Venušu a pravdepodobne i Zem.

Teplota vonkajších vrstiev hviezdy klesne tak nízko, že molekuly sa začnú vzájomne zhlukovať a zhusťovať do prachových častíc. Svetlo, čo z tejto hviezdy vychádza, do týchto častíc vráža a vyvrhuje ich von. Častice so sebou „ťahajú“ vonkajšie plynové vrstvy hviezdy, čím vznikajú obrovské mračná, tak ako v Bumerangu.

Ultrafialové žiarenie vychádzajúce z umierajúcej hviezdy zohrieva plyn a núti ho žiariť. Radiácia napokon roztrhne elektróny atómov, ktoré vytvárajú mračno. Keď sa ukončí proces ionizácie, ostáva tzv. planetárna hmlovina – je to trochu chybné pomenovanie, ktoré vzniklo zhruba pred storočím, keď si astronómovia mýlili tieto žiarivé objekty s planétami. Umierajúca hviezda medzičasom upadá do svojej záverečnej fázy: mení sa na horúci a hustý objekt zvaný biely trpaslík. Naše Slnko bude mať po zmene na bieleho trpaslíka veľkosť Zeme.

Plyn uniká z planetárnej hmloviny.

„Takto umierajú hviezdy,“ vraví Sun Kwok, astronóm z Hongkonskej univerzity. „Narodia sa, žijú dlhý život – život trvajúci miliardy rokov. A zrazu veľmi rýchlo umrú.“

Taktiež to však znamená, že objekty ako hmlovina Bumerang sú veľmi užitočné; štúdiom hmlovín dokázali astronómovia pochopiť záhadu umierania hviezd. „Zaujíma nás, ako umierajú, prečo umierajú,“ hovorí Kwok. „Dobré je, že skôr, než umrú, ukážu nám skvelé divadlo – ako ohňostroj.“

Smrť hviezd zohráva veľmi podstatnú úlohu i pri zrode života. Astronómovia už dlho vedia, že prvky ako uhlík, kyslík či dokonca železo vznikajú práve v srdci hviezdy. Keď hviezdy umrú, tieto prvky sa dostávajú do celej galaxie. A keď umierajú veľmi hmotné hviezdy – tie, ktoré sú viac než osemkrát hmotnejšie ako Slnko –, namiesto toho, aby vytvorili planetárnu hmlovinu, explodujú a vytvoria ešte ťažšie prvky, ktoré sú základom vzniku kameňa, planét či dokonca života.

Hmlovina Eskimák.

Kwok tvrdí, že za posledné desaťročie spolu so svojimi kolegami zisťuje, že možno i planetárne hmloviny majú na vzniku života podiel – tým, že vytvárajú komplexné organické zlúčeniny. Niektoré z týchto zlúčenín sa dostali až do našej slnečnej sústavy, keď sa formovali planéty. Možno sú kľúčovou ingredienciou vzniku života na Zemi.

Výnimočná hmlovina

Avšak hmlovina Bumerang je výnimočná.

V prvom rade, v živote hviezdy fáza planetárnej hmloviny trvá iba niekoľko desiatok tisíc rokov. Bumerang zatiaľ nie je plnohodnotná hmlovina, keďže hviezda v jej strede ešte celkom neionizovala svoje okolie. Je to teda takzvaná pre-planetárna hmlovina, čo je štádium premeny trvajúce iba niekoľko tisíc rokov – v kozmickom čase iba obyčajné žmurknutie. Žmurknutie, ktoré máme na vlastné šťastie možnosť uzrieť.

Hmlovina Bumerang je ešte relatívne mladá.

Pre-planetárne hmloviny sú pre astronómov ako Kwok dôležité, pretože ukazujú záblesk toho, ako sa hviezdy menia z „opuchnutých“ červených obrov na komplexnú a oslnivú planetárnu hmlovinu. Napriek tomu, že umierajúca hviezda je okrúhla, hmlovina nie. Často má rozdvojený tvar, akoby „laloky“ expandovali z dvoch koncov. Hubblov vesmírny teleskop nám ukázal hmloviny, ktoré z nášho pohľadu zo Zeme vytvárajú štruktúry prepletených prstencov či oblúkov.

Metamorfóza okrúhlej hviezdy na planetárnu hmlovinu je podobná premene húsenice na motýľa, vraví Kwok, ktorý napísal priekopnícku prácu o pre-planetárnych hmlovinách ešte v 90. rokoch. Pohľad na Bumerang je podľa neho ako náhľad do kukly tesne predtým, ako z nej vyletí motýľ.

No nič z tohto nevysvetľuje, prečo je Bumerang taký chladný...

Modré oblasti hmloviny Bumerang sú najchladnejšie.

Hmlovina Bumerang dostala pomenovanie podľa toho, že tvarom sprvu pripomínala bumerang. V roku 1995 astronóm Raghvendra Sahai z Laboratória prúdového pohonu v NASA v kalifornskej Pasadene a Lars-Åke Nyman, ktorý v súčasnosti pracuje pri ALMA teleskope v Čile, sledovali čilským teleskopom milimetrové vlnové dĺžky, ktoré odhalili molekuly plynových mračien. Zistili, že hmlovina Bumerang nemá tvar bumerangu, ale skôr ide o okrúhly mrak, ktorý expanduje neskutočnou rýchlosťou.

„Tento objekt je extrémny z každého uhla, z ktorého sa naň dokážeme pozrieť,“ tvrdí Sahai.

Spolu s Nymanom zistili, že mrak sa rozpína rýchlosťou 164 km/s, čo je takmer štyritisíckrát rýchlejšie, než je priemerný vysokorýchlostný vlak, a desaťkrát rýchlejšie než bežné rýchlosti, aké sme zaznamenali pri podobných objektoch. Takáto vysoká rýchlosť značí, že počas uplynulých tisícpäťsto rokov hviezda v strede hmloviny strácala hmotu jednej tisíciny Slnka každý rok. Je to desaťkrát rýchlejšie, než sme zmerali v podobných hviezdach, ktoré vylučujú plyn.

Hmlovina Slimák zblízka.

Sahai vysvetľuje, že práve preto je Bumerang taký chladný.

Plyn sa počas expanzie ochladzuje, čo cítime napríklad i pri priložení dlane k tryske pneumatiky, keď z nej vychádza vzduch. Pokiaľ plyn expanduje tak rýchlo ako v prípade Bumerangu, môže sa veľmi ochladiť. Aj hmlovina obsahuje veľa plynu, čo spôsobuje, že okolité teplo z kozmického mikrovlnného pozadia tam presakuje iba veľmi ťažko. Plyn si tak zachováva veľmi nízke teploty. S výnimkou podmienok umelo vytvorených v niektorých pozemských laboratóriách nepoznáme vo vesmíre chladnejšie miesto.

Avšak tento chlad nebol úplným prekvapením.

Sahai predtým predpokladal, že ak sú splnené určité podmienky a centrálna hviezda vyvrhuje plyn dostatočne rýchlo, teplota by mohla klesnúť pod kozmické mikrovlnné pozadie. Bola to však len teoretická možnosť. Keď pred takmer dvadsiatimi rokmi začal analyzovať dáta o hmlovine Bumerang, uvedomil si, že jeho hypotéza je pravdivá. „Mal som zimomriavky,“ spomína si. „Bola to jedna z najvzrušujúcejších častí mojej kariéry.“

Hmlovina Slimák, ako ju zachytil Hubble.

Otázka, ako je možné, že centrálna hviezda vyvrhuje plyn tak rýchlo, však podľa Sahaia ostáva záhadou.

Podľa konvenčných teórií vytláča všetky látky radiácia z hviezdy. Lenže v prípade Bumerangu tá hviezda nie je ani zďaleka dosť žiarivá, aby vytvorila toľko radiácie, ktorá by bola potrebná na vytláčanie plynu rýchlosťou 164 km/s. „Nemyslím, že na to máme nejaké teoretické fyzikálne vysvetlenie,“ hovorí Sahai.

Naozaj bizarné.

Opätovná návšteva Bumerangu

Bumerang poplietol vedcov i v mnohých iných smeroch. Dve desaťročia po zistení, že Bumerang je najchladnejšie miesto vo vesmíre, Sahai a jeho kolegovia pokračujú v skúmaní tohto extrémneho objektu a pomaly stierajú jednotlivé vrstvy tejto komplexnej záhady.

Jednou z prvých rozlúštených hádaniek bol tvar hmloviny.

Hmlovina Spirograf, vzdialená dvetisíc svetelných rokov.

Pozorovania Sahaia a Nymana v oblasti submilimetrových vlnových dĺžok odhalili, že Bumerang pozostáva z okrúhleho, expandujúceho molekulárneho mračna. No ako vyzeral vo viditeľnom svetle? V roku 1998 naň astronómovia nasmerovali Hubblov vesmírny teleskop, aby to zistili. Hmlovina nevyzerala okrúhlo, no nevyzerala ani ako bumerang. Namiesto toho pripomínala tvar presýpacích hodín.

Astronómovia nevedeli, prečo Bumerang vyzerá tak odlišne vo viditeľnom svetle v porovnaní so submilimetrovými dĺžkami, a problém sa vyriešil až minulý rok, keď Sahai a jeho kolegovia opísali svoje posledné pozorovania novým teleskopom v Čile, ktorý im umožnil najdetailnejšie pozorovanie hmloviny.

Výskumníci zistili, že Bumerang je komplexná štruktúra pozostávajúca z troch častí. V prvom rade, je tam veľký, okrúhly, expandujúci molekulárny mrak plynu – ten, ktorý pozorovali i predtým. Keď sa však priblížili, astronómovia objavili hustejší mrak prachu v tvare šišky, ktorý obklopuje centrálnu hviezdu.

Krabia hmlovina, pozostatok supernovy.

Astronómovia si uvedomili, že táto prachová šiška sa správa ako maska – blokuje hviezdne svetlo, ktoré vyžaruje z rovníka hviezdy. Keďže svetlo môže uniknúť iba z dvoch pólov, ožiari plyn ako dvojica bateriek ukazujúcich opačnými smermi. Čiže tie dva laloky, ktoré vidíme na obrázkoch Hubbla, sú lúče týchto „bateriek“, ktoré žiaria cez plyn – ako keď vidíme lúče autosvetiel počas hmlistej noci.

Nové pozorovania čilským teleskopom ukázali, prečo sa Bumerang javí aj ako okrúhly, aj ako tvarovaný do presýpacích hodín. No keď sa priblížili ešte viac, astronómovia objavili aj ďalšiu štruktúru: prázdnu valcovú hmlovinu, ktorá obklopuje centrálnu hviezdu. Sahai predpokladá, že valcové steny vytvorili prudko „vytrysknuté“ plyny vodík a hélium, ktoré unikli z hviezdnych pólov a vytvorili si v okolitom plyne tunel.

Tryskanie vpred

Odkiaľ sa berie toto tryskanie?

Zdá sa, že tryskanie je vo vesmíre vcelku bežný fenomén týkajúci sa mnohých druhov hviezd či dokonca aj obrovských čiernych dier, miliardy ráz masívnejších než Slnko. Hoci podrobnosti nepoznáme, dejú sa vtedy, keď kotúč plynu a prachu špirálovito smeruje do hviezdy alebo čiernej diery. Padajúca hmota v sebe nesie energiu, ktorú vypúšťa týmito úzkymi tryskaniami smerujúcimi do opačných strán.

Hmlovina Trifid, rodisko nových mladých hviezd.

V planetárnych hmlovinách sú tieto tryskania tvorené plynom. Avšak v supermasívnych čiernych dierach, ktoré sídlia v strede galaxií, sú to pravdepodobne nabité častice vyvrhnuté extrémnymi rýchlosťami. Takéto tryskania, hnané čiernymi dierami, sú také silné, že dokážu v horúcom plyne vytvoriť bubliny, ktoré prenikajú priestorom medzi galaxiami v tzv. zhluku galaxií. Spôsob, ktorým tieto tryskania vstrekujú teplo a plyn do svojich okolitých prostredí, ovplyvňuje, ako sa galaxie formujú a vyvíjajú.

Hoci bubliny vytvorené týmito tryskaniami sú až miliónkrát väčšie a plyn má pri teplotách okolo desiatok miliónov stupňov ďaleko od chladného, ten proces je rovnaký ako to, čo sa deje v Bumerangu. Tak tvrdí Noam Soker z Technionskej univerzity v Izraeli. Štúdiom týchto tryskaní v Bumerangu aj iných planetérnych hmlovinách astronómovia čo-to zisťujú aj o galaxiách a supermasívnych čiernych dierach v ich strede.

Predpokladá sa, že tieto tryskania majú svoj podiel aj v podivných explóziách známych ako záblesky gama žiarenia. Ide o jeden z najsilnejších pozorovaných kozmických fenoménov, vraví Soker. Myslí si aj, že sú i hnacím motorom supernov – explozívnej smrti veľmi hmotných hviezd.

Obria hviezda Eta Carinae v hmlovine Eta Carinae.

„Je to veľmi kontroverzná téma,“ poznamenáva, keďže mnohí astronómovia si myslia, že supernovy sú poháňané erupciou energetických častíc zvaných neutrína. Napriek tomu súčasné teórie nie sú uspokojivé a všadeprítomnosť tryskaní zrejme svedčí o tom, že práve tie sú skutočne pravdepodobným mechanizmom.

Pokiaľ ide o Bumerang, o tomto objekte, ktorý Sahai nazýva svojím najobľúbenejším vo vesmíre, sa ešte máme čo učiť.

Sahai a jeho kolegovia majú v pláne naďalej ho študovať čilským teleskopom. Ich predošlé pozorovania ukázali, že plyn sa vo vnútorných regiónoch pohybuje rýchlosťou len 35 km/s. S podrobnejšími dátami by mohli presnejšie zmapovať, ako rýchlo sa plyn pohybuje v jednotlivých regiónoch. Snáď lepšie pochopia i prachovú šišku v strede.

Bumerang je bizarný, pretože je veľmi chladný. Pre astronómov sú však hmloviny čímsi viac. „Nie sú to len nádherné objekty,“ hovorí Soker. „Ukrývajú i mnoho tajomstiev.“

Hmlovina Orión, mayský kozmický oheň stvorenia.