Průlomové okénko

Pokud čtete tuto stránku, je tu velká šance, že vám nejspíše přišel pohled od někoho, kdo má náš Adventní kalendář s pokusy. Jistě vás zajímá všechno to zajímavé, co se na váš pohled nevešlo. A to ještě nevíte, že existují další dva pohledy. Je jasné, že teď hoříte zvědavostí. Proto vám zde nabízíme text celého Adventního okénka ke všem třem pohledům i s obrázky.

Často říkáme, že správné fyzikální teorie mají jistou eleganci, ba dokonce krásu. Ocenit ji ve formě komplexních rovnic, sofistikovaných grafů, či abstraktních formulací zvládne člověk po letech studia. Pro nezasvěcené oko je to však podstatně těžší. Proto jsme se rozhodli vám nabídnout pohled na několik po vědecké stránce špičkových počinů minulého století, které jsou fyzikálně fascinující a navíc vizuálně zajímavé. Až se pokocháte, můžete se dočíst víc o tom, kde se snímky vzaly.

Co oči nevidí

Černá díra, nepředstavitelně hmotná oblast vesmíru, ze které neunikne nic, ani světlo. Lze tento temný objekt v temném vesmíru vůbec spatřit? Dříve si lidstvo myslelo, že mu nezbyde než zůstat jen u uměleckých ztvárnění či simulací. Dnes se ale díváte na první reálný snímek černé díry. Stojí za ním více než 200 vědců, 10 let práce a zajímavý příběh.

Kde se snímek vzal?

Vše začalo před více než sto lety s Einsteinovou obecnou teorií relativity, která existenci černých děr předpověděla. Dlouhá desetiletí jsme pak zvládli pozorovat jen nepřímé náznaky jejich existence. Skupina astrofyziků však chtěla černou díru vidět. A tak založila projekt s názvem Event Horizon Telescope. Pro své pozorování si vybrali obří galaxii v souhvězdí Panny a její střed, kde černou díru očekávali. Přes její velikost a relativní blízkost se vědci snažili o něco podobného jako „vyfotit ze Země pomeranč na Měsíci“.

Žádný pozemský teleskop nemá takové rozlišení, a tak se laboratoře spojily. Po letech příprav došlo k měření. Celkem osm největších radiových teleskopů se v na prosto stejný čas dívalo do naprosto stejného místa. Vědci z nich tak vytvořili virtuální teleskop o rozměrech celé Země. Tím ale práce zdaleka nekončila. Ohromné množství dat bylo třeba zpracovat, vyhodnotit a také mnohokrát ověřit, že se někde nestala chyba. Data ze čtyř nocí pozorování vědci zpracovávali dva roky. Až nakonec mohli v dubnu 2019 světu s jistotou ukázat snímek, na který se teď díváte i vy.

Co na snímku vidíte?

Černou díru vidět nemůžete, všechno světlo padá dovnitř ní a žádné se tak nemůže vrátit zpět do našich očí. Na fotce je však vidět obrys černé díry, její silueta. Tmavou oblast obklopují světlo a hmota, které se točí před hranou horizontu událostí. Kvůli silné gravitaci se hmota okolo černé díry stlačuje, zahřívá, a tak září. Ne, že by žhnula přímo touto oranžovou barvou. Vědci ji zobrazili pomocí rádiových vln, které lidské oko nevidí, barvy jsou tedy jen ilustrační.

K sepsání jsme využili, a i vám doporučujeme k dalšímu zkoumání, informace v následujících textech:

• The Inside Story of the First Picture of a Black Hole (2020)
• First-ever picture of a black hole unveiled (2019)
• Astronomers Capture First Image of a Black Hole (2019)

Kam noha nevkročí

Prozkoumat cizí planetu, zjistit, zda na ní jsou podmínky pro život nebo zda někdy v minulosti život nesla. To jsou jen některé z cílů našeho zkoumání Marsu. Než se ale podaří na rudou planetu vstoupit lidské noze, musíme si vystačit se sondami, které na Mars posíláme.

O zvědavém roveru

Vozítko Curiosity vpravdě dostojí svému názvu – Zvědavost. Velikostí se podobá jen menšímu SUV, výbavou ho ale podstatně předčí. Parkovat sice nepotřebuje, ale kamer na něm najdeme hned sedmnáct. Kromě těch navigačních má Curiosity možnost zobrazit i široké okolí, nebo naopak drobné detaily.

Aby se mohlo pohybovat, pozorovat, sbírat, ale i proměřovat vzorky, je vybaveno robotickou paží a několika laboratořemi. Monitoruje marsovské počasí, sleduje množství kosmického záření, které na povrch planety dopadá. Měří množství vodíku ve snaze najít vodu vázanou v minerálech. A také analyzuje složení kamenů a půdy. Na výsledek takového měření se právě díváte.

Co na snímku vidíte?

Snímek s barevnými soustřednými kruhy ukazuje výsledky úplně první analýzy marsovské půdy provedené právě Curiosity v říjnu 2012. Vědci z něj vyčetli, že je tvořena živci, pyroxeny (sloučeniny křemíku), olivíny a nějakými amorfními, nekrystalickými materiály. Pokud vám je geologie vzdálena, prozradíme, že zmíněné horniny jsou zpravidla sopečného původu. Na Zemi bychom nejpodobnější půdu našli ve vyvřelinách Havaje.

O rentgenové difrakci

Zajímá-li vás, jak se dají jednotlivé prvky a sloučeniny v půdě identifikovat, vězte, že k tomu Curiosity použilo rentgenové záření. Posvítilo na vzorek a dívalo se, jak se na atomech vzorku rentgen roztpyluje. Každá hornina vytváří svůj jedinečný vzor kruhů, jako by to byl otisk prstu. Barva kruhů znázorňuje intenzitu odraženého záření – červená znamená nejsilnější.

Kde se ale intenzivní a méně výrazná místa berou? Vy už tenhle jev znáte z Ohybového okénka! Jde o difrakci, ale tentokrát ne světla, nýbrž rentgenového záření. Viditelnému světlu stačila k ohybu překážka tloušťky lidského vlasu, pro pozorování difrakce rentgenového záření však potřebujeme strukturu mnohem drobnější. Třeba mřížku tvořenou atomy nějaké krystalické horniny.

Když posvítíme rentgenem na dokonalý krystal, dostaneme sadu bodů, podobně jako když jste svítili přes organzu. Marsovská půda se však místo jednoho vybroušeného drahokamu skládá ze spousty menších krystalků. Ty jsou navíc natočené do všech směrů. Proto na snímku vidíte body roztažené do kružnic.

Co konkrétně se z intenzity a polohy kruhů dá o půdě vyčíst? Jedna věc by vás na základě hraní si s laserem mohla napadnout. Hrubost mřížky, tedy jak daleko od sebe jsou jednotlivé vrstvy atomů v té které hornině. Dál jde dopočítat, jakou krystalovou strukturu mají, jak jsou v ní uspořádané různé atomy. Pak vědci jednotlivé překrývající se „otisky prstů“ porovnají s databází a analýza je na světě. Zatím je tou hlavní analýzou, kterou máme. Můžeme se ale těšit, že se časem vzorky z Marsu dostanou ke zkoumání až k nám na Zemi.

K sepsání jsme využili, a i vám doporučujeme k dalšímu zkoumání, informace v následujících textech:

• Mars Science Laboratory: Curiosity Rover
• First X-ray View of Martian Soil
• An Introduction to X-ray Powder Diffraction Analysis
• X-ray diffraction
• What is X-ray Diffraction?

Co ruce neuchopí

CERN neboli Evropská organizace pro jaderný výzkum řeší základní otázky hmoty, jejího složení a vůbec. Nejčastěji si ho spojíme s obřím urychlovačem částic, pro své experimenty ale používal i celou řadu dalších, větších či menších laboratoří. Dnes bude řeč o jedné téměř kapesní. Její vynález vedl k zisku Nobelovy ceny a první její prototypy prý byly plněny pivem.

Bublinková lázeň

Svým názvem by bublinová komora mohla evokovat příjemný pobyt ve vířivce. Ne však pro vás. Plněná je kapalným vodíkem, který má teplotu jen kousek od absolutní nuly. Okolní tlak a teplota jsou nastavené tak, že vodík je už už nachystaný se z kapaliny změnit na páru. Potřebuje k tomu ale malé pošťouchnutí. A to mu dodá nabitá částice prolétávající komorou.

Co na snímku vidíte?

Ve stopě prolétávající částice se vodík vypaří, vzniknou tak malé bublinky plynu. Ty se dále zvětšují a zvětšují, dokud je nemůžeme vyfotit, nebo dokonce vidět očima. Teď už je jen otázka, koho takhle můžeme vystopovat. Na snímku si můžete prohlédnout celou řadu různých stop od různých částic. Z jejich velikosti či zakřivení vědci zjišťují, o jaké částice se jedná. V téhle bublinové komoře se zaměřili na jedny konkrétní.

Půvabné částice

Jakmile se ponoříme do studia hmoty hlouběji, narazíme totiž na úplný zvěřinec nejrůznějších částic. Třeba protony a neutrony se skládají z kvarků. Ty se dál rozdělují na šest „vůní“. Máme kvarky nahoru a dolů, kvarky podivné a půvabné a kvarky spodní a svrchní. Logika? Nehledejte ji. Naše běžná slova a popisy v kvantovém světě pozbývají smyslu. A právě půvabné částice obsahující půvabný kvark jsou hodně nestabilní, rychle se rozpadají. A tak se na jejich krátké dráhy a na produkty jejich rozpadů dává smysl dívat v malé komoře, kde se mezi ostatními neztratí. Na snímky z pohlednice tak stačila nádoba o průměru 20 centimetrů a 1 litr kapalného vodíku.

K sepsání jsme využili, a i vám doporučujeme k dalšímu zkoumání, informace v následujících textech:

• A Rapid Cycling Hydrogen Bubble Chamber With High Spatial Resolution For Visualizing Charmed Particle Decays
• LExan Bubble Chamber
• Bubble chamber