A Hubble-űrtávcső tíz legnagyobb eredménye

10785

Április 25-én immáron harminc éve teljesít szolgálatot a Hubble Space Telescope (HST), ennek apropóján pedig érdemes áttekinteni, mit is ért el általa a tudomány. A cím (mint a listák esetében oly sokszor) némi kiegészítésre szorul. Egyfelől, a legtöbb nagy felfedezés nem köthető egyetlen felvételhez vagy méréshez, sőt általában a Hubble-űrtávcső is csak egyike a tudományos áttörést szolgáltató számos mérőeszköznek. Épp ezért igyekeztünk olyan eredményeket összeválogatni, amelyeknél a Hubble szerepe kétségkívül kimagasló. Másfelől, mivel a szakmai eredményeket igen nehéz (és felesleges is) összehasonlítani, így természetesen mind a lista mezőnye, mind pedig annak sorrendje szubjektív – habár a dobogós pozíciókkal talán nehéz lesz vitatkozni.

Ezekben a napokban minden a Hubble-ről szól. Ha csillagászok tollából származó tartalmakat szeretnél olvasni az emberiség legfontosabb távcsövéről, a Csillagászat.hu cikkein túl látogass el a Svábhegyi Csillagvizsgáló oldalára (ahol szintén találhatsz egy válogatást a Hubble-űrtávcső felfedezéseiből) és a Csillagvizsgáló Blogra is, nyomtatásban pedig keresd Dr. Szabados László vezércikkét a Meteor folyóirat áprilisi számában. Pénteken 14:00-tól pedig Dr. Kiss László előadásában a kanapé kényelméből hallgathatod végig az űrtávcső 30 évének izgalmas fordulópontjait, amelynek során leleplezésre kerül egy eddig még sehol sem közölt Hubble-felvétel is.

10. Időjárás-jelentés más bolygókról

A Hubble-t elsősorban a távoli, (extra)galaktikus objektumok megfigyelése céljából fejlesztették, ez azonban nem jelentette azt, hogy ne kerülhettek volna lencsevégre naprendszerbeli objektumok is. Sőt a főtükör hibája miatt az 1993-as első szervizmisszióig szinte csak bolygók és bolygóközi célpontok szerepeltek az űrtávcső repertoárján. Ettől az időszaktól kezdődően egészen napjainkig a kutatók rendszeres időközönként sort kerítenek az óriásbolygók megfigyelésére is, amelynek célja elsősorban a felsőlégköri folyamatok nyomon követése. Mivel a Jupitertől a Neptunuszig bezárólag ezek a jelenségek hosszabb-rövidebb ideig fennmaradó viharok és stabil áramlatok, így nem túlzás időjárás-jelentésről beszélni, immáron évtizedes távlatban. Hasonlóan a Mars is többször volt már a Hubble célpontja, amikor az űrtávcső szezonális változásokat vagy éppen globális méretű homokviharokat örökített meg.

Vihar a Neptunuszon – a sötét felhő két éven keresztül volt nyomon követhető a Hubble felvételein. Forrás: NASA, ESA & M.H. Wong & A.I. Hsu (UC Berkeley)

9. Szupernóva-elődcsillag

A szupernóváknak csak az egyik (II-es típusú) csoportja keletkezik nagy tömegű csillagok felrobbanásából, míg a másik, gyakran csak Ia néven emlegetett osztályuk olyan fehér törpecsillagokból keletkezik, amelyek átlépnek egy bizonyos határtömeget. Ezt a fehér törpék a társcsillaguktól elszívott plusz tömeg révén érik el; az utóbbi években pedig mind több eredmény mutatott arra, hogy ezek a társcsillagok szintén (kisebb tömegű) fehér törpék. Ám, míg a II-es típusúak szülőobjektumai több esetben is azonosíthatóak voltak, az Ia-szupernóvák csillagelődjei túl halványak ahhoz, hogy a robbanásukat megelőzően is detektálhassuk őket. Egyetlen esetet kivéve: az SN 2012Z szupernóva egész véletlenül az NGC 1309 spirálgalaxis egy olyan területén robbant fel, amelyet a Hubble-űrtávcső néhány évvel korábban rendkívül részletes felvételekkel pásztázott végig. Az utólagos keresgélést siker koronázta: a későbbi szupernóva pozícióján egy fényes, héliumban gazdag csillagot azonosítottak, amely valószínűleg anyagot adott át a mellette megbújó (a csillag erős fénye mellett láthatatlan) fehér törpének, egészen annak felrobbanásáig. Az SN 2012Z esete megerősítette, hogy legalábbis a termonukleáris szupernóvák egy részénél normál állapotú (ún. fősorozati) csillag szolgál donorként a fehér törpe számára.

AZ NGC 1309 galaxisról készült felvételek a szupernóva-robbanás előtt és után. Forrás: ESA/Hubble

8. Shoemaker-Levy 9 üstökös

A Shoemaker házaspár és David Levy által 1993 márciusában felfedezett üstökös már megtalálásakor sem volt hagyományosnak nevezhető, ugyanis nem közvetlenül a Nap, hanem a Jupiter körül keringett. A számítások szerint az óriásbolygó közel harminc évvel korábban foghatta be a néhány kilométer átmérőjű, sziklás-jeges objektumot. Ezt követően az üstökös fokozatosan közelebb sodródott az ún. Roche-határhoz, amelyen túl a bolygó árapályerői már képesek szétcincálni a lazán kötött üstökösmagot. Ez végül 1994-ben be is következett, ettől kezdve pedig egy legalább húsz nagyobb darabból álló törmelék-kompánia vonatozott a Jupiter felsőlégköre felé. Ekkor már a Hubble-űrtávcső is figyelt, az elérhető legnagyobb felbontás mellett örökítve meg a Shoemaker–Levy 9 maradványait, valamint a sorozatos becsapódásaik keltette légköri turbulenciákat a Jupiteren. Ez volt a történelem első és mind ez idáig egyetlen megfigyelt ütközése két nagyobb naprendszerbeli objektum között.

A Jupiterről készült felvétel a Shoemaker-Levy 9 üstökös G-jelű maradványának becsapódásakor (legalul), amelyet (felfelé) másfél, három, valamint öt nappal később készült képek követnek. Utóbbi két felvételen a G-maradvány okozta légköri turbulenciához csatlakozott az L-jelű darab becsapódásának nyoma is. Forrás: NASA/HST Comet Science Team, R. Evans, J. Trauger, H. Hammel

7. A Pluto holdjai

A Plutónak jelenleg öt holdja ismert, ezek közül az elsőt, a Charont az óriási távolság ellenére már meglepően korán, 1978-ban felfedezték, annak viszonylag nagy mérete következtében. A további felfedezésekre azonban jó ideig várni kellett. Csak 2005-ben vált ismét fontossá, hogy az elérhető legnagyobb felbontással bíró optikai teleszkóppal, a Hubble-lal is szemügyre vegyék a Pluto rendszerét, ahová nem sokkal később indult el a NASA New Horizons űrszondája. A(z akkor még) bolygó körül a Hubble kapásból két új holdat is azonosított, amelyek a Nix és a Hydra nevet kapták. Hozzájuk csatlakozott 2011-ben a Kerberos, amikor a Hubble segítségével a Pluto körüli esetleges gyűrűket kerestek a kutatók. Nem sokkal később, 2012-ben a New Horizons-ra potenciálisan veszélyes objektumok után kutatva találták meg a Styx holdat, szintén a Hubble felvételein.

A Styx felfedezését jelentő Hubble-fotó, megjelenítve a kitakart Pluto-Charon párost és a holdak keringési pályáit. Forrás: NASA, ESA, és L. Frattare (STScI)

6. A Fomalhaut b különös története

Az utóbbi évtized intenzív exobolygó-vadászatának köszönhetően immáron több mint négyezer planétát ismerünk távoli csillagok körül. Saját fényük híján az exobolygókat rendre a csillagukra gyakorolt hatásuk révén, közvetett módon fedezték fel, néhány speciális esetet leszámítva. Ez utóbbiak közé tartozik a mindössze 25 fényévre található Fomalhaut nevű csillag is, amely körül korábban porkorongot fedeztek fel infravörösben végzett mérések alapján. A porkorong alaposabb vizsgálata során a kutatók egy apró fénypöttyöt tudtak azonosítani, amely megfelelt egy porban gázoló és ezáltal az optikai tartományban sugárzó exobolygó modelljének. A Fomalhaut b lett az első közvetlen leképezéssel felfedezett exobolygójelölt, útját pedig több mint egy évtizeden keresztül rendszeres megfigyelések révén követték…

A Fomalhaut csillag (bal oldali kép, kitakarva) környezete, amelyben a Fomalhaut b táguló törmelékfelhője lassacskán eloszlott. Forrás: NASA, ESA, A. Gáspár és G. Rieke (University of Arizona)

… mígnem mostanra teljesen nyoma veszett! Persze ez nem volt teljesen váratlan, a Fomalhaut b ugyanis az utóbbi években fokozatosan halványodott. De miként veszít egy bolygó a fényéből? Nos, minden valószínűség szerint a Fomalhaut b már a 2004-es felfedezésekor sem létezett mint exobolygó. A megfigyelt objektum viselkedése ráillik egy nem sokkal korábban bekövetkezett (több száz km átmérőjű objektumok közötti) ütközés maradványaira, amelynek por- és törmelékfelhője lassan oszlik szét a Fomalhaut körül.

5. A szupernagy tömegű fekete lyukak felfedezése

A fekete lyukak létezését már több mint egy évszázada is valószínűsítették, az 1960-as években pedig már ezen objektumok extrém nagy tömegű képviselőit sejtették megbújni a galaxisok központi régióiban. Hiába azonban az óriási tömegük, egy fekete lyukat (kibocsátott sugárzás híján) nem egyszerű feladat kimutatni, a galaxisok közepén pedig gyakorta még komplikáltabb a helyzet. A Tejútrendszernél a szinte mindent elrejtő, sűrű gáz- és porfelhők jelentették a szupernagy tömegű fekete lyuk azonosításának akadályát, míg más galaxisok esetében a nagy távolságok miatt nem tudtak sokáig kellő precizitású méréseket végezni. A Hubble rendkívüli felbontása azonban itt is jól jött, az ugyanis nemcsak a képalkotás részletességénél, hanem a színképek felvételénél is kamatoztatható. Így történhetett, hogy az 1993-as szervizmissziót követően a Hubble-űrtávcső egyik legelső célpontja az M87 óriás elliptikus galaxis központi régiója volt. Kizárólag a HST által tudták ugyanis kimérni a csillagok és a gázfelhők rendkívül magas keringési sebességét, amelyet csak egy extrém tömegű monstrum gravitációja okozhat. Éppen, amilyen egy szupernagy tömegű fekete lyuk is: az M87 esetében például egy közel hárommilliárd naptömegű monstrum (a számérték mostanra 6,5 milliárdra pontosult). Miután több galaxisra ki tudták terjeszteni a Hubble méréseit, az is világossá vált, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukak azonkívül, hogy minden óriásgalaxis centrumában képviseltetik magukat, emellett az évmilliárdok folyamán a galaxisaikkal együtt is fejlődtek (vagyis híztak).

A Hubble-űrteleszkóppal 1994-ben fedezték fel az M87 közepén trónoló fekete lyukat, az elmúlt években az Event Horizont Telescope kollaborációnak pedig már a közvetlen környezetét is sikerült megörökíteni. Forrás: EHT

4. Hubble (Ultra/eXtreme) Deep Field

A Hubble-űrtávcső megfigyelési programjának egyik kiemelt fontosságú projektje volt a Hubble Deep Field (HDF, Hubble-mélyvizsgálat): egyetlen kép az űr egy sötét szegletéről, amelyet több ezer felvételből állítottak össze. 1995 decemberében két héten keresztül több részletben összesen hat napnyi (!) expozíciót végeztek az űrtávcsővel az égbolt egy látszólag üres területéről (vagyis hat napon keresztül gyűjtötték a fényt a kép elkészítéséhez). Az eredmény páratlan volt: a HDF-en felbukkanó több ezer fénypötty mindegyike egy-egy galaxis (na jó, néhány csillag is kiszúrható a képen). Számos közülük az Univerzum korai szakaszából figyelhető meg, kb. 13 milliárd évvel ezelőtti állapotukban! A projektet többször is megismételték. 1998-ban a déli égbolt egy területéről készült el a HDF South, majd a későbbiekben tovább növelték az expozíciós időt, 2004-ben előbb Ultra- (11 napnyi össz-expozíció), 2012-ben pedig eXtreme Deep Field (23 nap) néven. A képek hasonlósága nyomós érvet jelent a kozmológiai elvek mellett, vagyis, az Univerzum (kellően nagy skálát tekintve) minden irányban hasonló.

Részlet a 2004-ben készült Hubble Ultra-Deep Field képről, rajta több ezer galaxissal (és legalább három előtér-csillaggal). Forrás: NASA/ESA

3. Térkép a sötét anyaghoz

A kozmológiai modellek értelmében az Univerzum egészének 23%-át (ebből kifolyólag pedig az összes anyag 85%-át) teszi ki a rejtélyes sötét anyag. Nem tudni, mi alkotja, nem mutat detektálható sugárzást, azonban gravitációja egyértelműen kimutatható – ráadásul nemcsak a galaxisokban, hanem a köztük lévő, világító anyagtól mentes intergalaktikus térben is. A Hubble-űrtávcső mindezt az óriási galaxishalmazok gravitációja okozta lencsehatás révén volt képes felderíteni, amely eltorzítja a háttérben húzódó galaxis vagy kvazár fényét. A torzítás mértéke a gravitáló tömegtől és annak elhelyezkedésétől függ, ebből pedig levonva (a más módszerekkel is meghatározható) világító anyag tömegét, meghatározható a halmaz sötétanyag-tartalma. A számos galaxishalmaz irányában elvégzett megfigyelések alapján a kutatók afféle háromdimenziós térképet voltak képesek összeállítani a sötét anyag eloszlásáról, amelyben a tőlünk mért távolsággal egyszersmind időben is vissza lehetett követni annak mennyiségét és csomósodását.

A Hubble felvétele a Cl 0024+17 katalógusjelű galaxishalmazról (balra), amelyen a távoli galaxisok fénye a lencsehatás okozta erősítés és torzítás hatására világoskék színű ívekként jelenik meg. A mérés alapján számolt gravitációs térképen (jobbra) kékes foltok jelzik a halmazban rejtőző sötét anyag csomósodásait. Forrás: NASA, ESA, M.J. Jee és H. Ford (Johns Hopkins University)

2. Az Univerzum gyorsuló tágulása

A fentebb is emlegetett Ia-típusú szupernóvák zöme többé-kevésbé ugyanazon körülmények között robban fel, ezért ún. standard(izálható) gyertyaként szokás rájuk hivatkozni: olyan objektumok, amelyek valódi fényessége közel állandó, és az általunk látott fényességüket csak a távolságuk befolyásolja. Ezen csillagrobbanások révén tehát távolságokat mérhetünk, ráadásul fényességük miatt akár óriási, kozmológiai (értsd, több milliárd fényéves) skálákon is! Ezt célozta meg a ’90-es évek második felében két rivális kutatócsoport, a High-Z Supernova Search Team és Supernova Cosmology Project. A legtávolabbi szupernóvák fényességméréséhez a legjobb teleszkópra volt szükség, és bár kiegészítő méréseket mindkét csapat végzett, az adatok zömét a Hubble révén szerezték be.

Öt szupernóva és szülőgalaxisaik a Supernova Cosmology Project által vizsgált objektumok közül. A megfigyelt szupernóvák 3,5 – 10 milliárd évvel ezelőtt robbantak fel. Forrás: NASA, ESA és A. Riess (STScI)

Az egymástól függetlenül dolgozó kutatócsoportok ugyanarra az eredményre jutottak: az Univerzum gyorsuló ütemben tágul! Jelen ismereteink szerint ez pusztán a gravitáció feltételezésével nem lenne lehetséges, így került (újra) bevezetésre a tágulást eredményező hatás, a sötét energia. Az eredmény súlyát és alátámasztottságát jól mutatja, hogy a kutatócsoport vezetői (Saul Perlmutter, Adam G. Riess és Brian P. Schmidt) 2011-ben a fizikai Nobel-díjban részesültek.

1. Az Univerzum kora

Egy egyszerű szám: 13,7 milliárd (+/- 400 millió) év. Ehhez a jelenleg széles körben elfogadott korhoz azonban több évtizednyi kutatásra és sok ezernyi megfigyelésre volt szükség. Értelemszerűen, az Univerzum korának meghatározása nem köthető egyetlen Hubble-méréshez, de még önmagában az űrtávcsőhöz sem – az azonban kétségtelen, hogy az összes csillagászati detektor közül a Hubble-űrtávcső érdemei a legnagyobbak.

A HST elsődleges célja (kimondva-kimondatlanul) a névadója által bevezetett, későbbiekben pedig róla elnevezett Hubble-paraméter pontosítása volt. Ez az érték mutatja meg, hogy jelenleg milyen ütemben tágul a Világegyetem, vagyis, hogy egy adott távolságban lévő galaxis milyen sebességgel távolodik tőlünk. A ’90-es éveket megelőzően a kozmológia tudománya két pártra szakadt az 50, illetve 100 km/s/Mpc-es értékek mentén (1 Mpc [megaparszek] = 3,26 millió fényév), a mérések hibája pedig nemritkán meghaladta az 50%-ot is (ami még a csillagászatban is soknak számít). Ennek a több mint két évtizedes vitának a végére tett pontot a HST azáltal, hogy segítségével a kutatók akár százmillió fényéves távolságban figyelhettek meg cefeida típusú csillagokat, amelyek fényességváltozási periódusa kapcsolatban van a valódi fényességükkel – vagyis távolságmérésre alkalmasak. A vizsgált csillagokat tartalmazó galaxisok távolodási sebességét már korábban is egyszerű volt kimérni, a két érték hányadosából (sebesség/távolság) pedig adódott a minden addiginál pontosabb (+/- 10%) Hubble-paraméter, amelyre végül 72 km/s/Mpc értéket kaptak a kutatók. Ez persze csak egy újabb nagy lépés volt a valóság megismeréséhez vezető úton, azóta ugyanis több független eredmény is 68 és 75 km/s/Mpc között szór, az új projektek célja pedig az 1%-os pontosság elérése. A Hubble-paraméter pontosabb ismeretében, figyelembe véve annak múltbeli változását is (lásd fentebb), már egészen precízen kiszámítható, hogy mióta is tágul a tér – vagyis, hogy milyen idős az Univerzum maga.

Az NGC 4603 az egyik legtávolabbi (107 millió fényévre lévő) galaxis, amelyben cefeidákat tudtak vizsgálni a HST révén. Forrás: NASA/ESA és Jeffrey Newman (Univ. of California at Berkeley)

Ez lenne tehát a top10-re szűkített listánk, amelyről olyan úttörő eredmények maradtak le, mint a porfelhők mélyén rejtőző csillagbölcsők felvételei, a rövid gamma-felvillanások optikai utófényének megfigyelése, vízgőz kimutatása egy exobolygó légkörében vagy a galaxisok evolúciójának kutatása. Mindazonáltal egy további eredményt még külön ki kell emelni a Hubble-örökségből:

+1. Látványos felvételek

A Hubble-ről a többségnek nem a kozmológiai paraméterek és a végtelen adatsorok jutnak először eszébe, hanem a látványos színekkel virító tűéles képek. Nem túlzás azt állítani, hogy az űrtávcső harmincéves pályafutása során gyakorlatilag MINDEN jelentős csillagászati objektumról készített már felvételt (egyedül a Nap és a Merkúr maradtak ki csillagunk vakító fénye miatt, de még a Hold felszínéről és készültek képek), amelyek hatása túlmutat a szakmai eredményeken és a tudományos ismeretterjesztésen. A Hubble-űrteleszkóp pedig ezek által fogja még sokáig lenyűgözni és inspirálni az emberiséget, laikust és szakértőt egyaránt.

A „Misztikus Hegy” fantázianevű gáz- és porfelhő a Carina-ködben. A felvétel a Hubble-űrtávcső 20. évfordulójának alkalmából készült. Forrás: NASA, ESA, M. Livio és a Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

Hozzászólás

hozzászólás