České stopy ve vesmíru od blízkých planet po hlubiny kosmu

JUICE u měsíce Europa/ Foto: ESA

Konkrétně vědci z Astronomického ústavu a Geologického ústavu Akademie věd České republiky, a také Vysokého učení technického (VUT) a firma Huld. 

Jde o nejnovější z řady příspěvků do vesmírných misí Evropské kosmické agentury (ESA), Češi se však podílejí i na misích americké NASA a dalších výpravách do vesmíru. Český kosmický výzkum má dlouhou tradici, která se vine od programu Interkosmos a zejména pak od družic Magion, vyvinutých Geofyzikálním ústavem AV ČR. K největšímu rozvoji ovšem došlo po vstupu ČR do ESA v listopadu 2008. Od té doby se česká věda i průmyslová sféra zapojily do celé řady kosmických misí zkoumajících Sluneční soustavu i hluboký vesmír.

Od Slunce k ledovým měsícům

Mezi aktuálně probíhající mise patří Solar Orbiter, který byl vypuštěný v únoru 2020 a zkoumá procesy na Slunci a sluneční aktivitu od vzniku slunečního větru po solární dynamo. Jejich bližší poznání nám umožní lépe porozumět naší mateřské hvězdě a jejím vrtochům, které mohou vyústit například ve sluneční bouře a výrony koronální hmoty. Ty mohou vyvolat překrásné polární záře, ale také poškodit satelity či ohrozit budoucí astronauty. Mise se dostane až za dráhu planety Merkur, tedy na jednu třetinu vzdálenosti ke Slunci – jde o bezprecedentní blízkost. 

Česká vědecká pracoviště AV ČR, MFF UK a průmyslové firmy se přímo podílely na čtyřech z deseti přístrojů sondy a měření prováděná touto misí jsou klíčovou součástí výzkumu slunečního oddělení Astronomického ústavu AV ČR a Oddělení kosmické fyziky (OKF) Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Mise Solar Orbiter je největší misí s českým zapojením od mise Magion, která se do vesmíru dostala v roce 1978 a dala jméno i známému vědeckému pořadu pro děti a mládež v Československé televizi. 

Stejná pracoviště se podílela mimo jiné i na sondě JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), která je od dubna loňského roku na cestě k ledovým měsícům Jupiteru. Při obletech měsíců Europa, Ganymedes i Callisto (a posléze po navedení na oběžnou dráhu Ganymedu) bude tyto měsíce, které pod silnými ledovými slupkami skrývají oceány kapalné vody, zkoumat pomocí radaru, lidaru, magnetometru, ultrafialového spektrografu i dalších přístrojů. Díky tomu nám napoví, jakou strukturu a přibližnou tloušťku mají ledové kůry měsíců, jaké mají složení, a tím pádem i nakolik jsou geologicky aktivní a zda probíhá výměna látek mezi povrchem a oceánem.

To je přinejmenším v případě Europy s jejím mladým, kráterů téměř prostým povrchem pravděpodobné. JUICE ji bude zkoumat v synergii s americkou sondou Europa Clipper, která odstartovala letos 14. října a bude se věnovat výhradně Europě, zatímco hlavním cílem JUICE je Ganymed – největší měsíc sluneční soustavy a spolu se Zemí a Merkurem jediné kamenné těleso naší soustavy s vlastním magnetickým polem.

Jak to, že jej najdeme právě u těchto těles a ne u planet Venuše a Mars anebo jiných měsíců? Právě magnetosféru Ganymedu pomůže zkoumat mimo jiné přístroj RPWI (Radio and Plasma Waves Investigation), jehož vedení se tým OKF účastní a na jehož vývoji spolupracoval také Astronomický ústav AV ČR. 

Ve Sluneční soustavě ještě zůstaneme se sondou EnVision, na níž se podílí konsorcium z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, Geofyzikálního ústavu AV ČR a České geologické služby ve spolupráci s českými firmami (o misi EnVision si můžete poslechnout také podcast AV ČR s Martinem Ferusem a přečíst si článek o vesmírném analyzátoru Selina, který Martin Ferus a kolegové vyvinuli a prodali do USA, pozn. red. ). Mise se má na sklonku roku 2031 vydat k Venuši, která je v mnohých ohledech „sestrou Země” – má obdobnou velikost a hmotnost – ale podmínky na jejím povrchu, pod pokličkou husté skleníkové atmosféry tvořené převážně oxidem uhličitým, jsou s tamními 460 stupni Celsia vskutku pekelné. Panuje na Venuši podobné peklo od samého počátku její existence? Došlo tam k překotnému skleníkovému jevu v prvních stamilionech let po jejím zformování? A nebo měla po většinu své historie přívětivé podmínky pro život, jak ho známe?

Selina umí nedestruktivně vážit i těžké molekuly/ Foto: ÚFCH J. Heyrovského 

Odpověď na tyto otázky i celou řadu dalších, které se Venuše týkají, nám zatím unikají, ale podle jednoho z vedoucích české spolupráce, Petra Brože (GFÚ AV ČR), snad ne nadlouho: „V Evropě se chystáme vrátit k Venuši, a to ve velkém stylu. V plánu totiž máme prozkoumat tuhle pekelnou planetu od hranice atmosféry až do hlubin jejího nitra, a tak notně posunout kupředu poznání tohoto fascinujícího světa.”

Za lepším poznáním exoplanet

EnVision, JUICE i Solar Orbiter nám ovšem napoví více nejen o tělesech Sluneční soustavy, ale také tím nepřímo poskytnou cenná data k lepšímu porozumění exoplanetám – planetám obíhajícím jiné hvězdy než Slunce. Těch nyní známe přes pět tisíc, ale o většině z nich nevíme téměř nic vyjma jejich oběžné dráhy a velikosti či hmotnosti, vzácněji obojího. Stávající i chystané teleskopy ovšem nejen rozšiřují a dále rozšíří řady známých exoplanet, ale také nám napoví více o složení jejich atmosfér. Už za dva roky má odstartovat teleskop PLATO, na němž se podílí Astronomický ústav AV ČR, koordinátorem mise bude Petr Kabáth. PLATO bude pomocí sledování tranzitů (tedy přechodů planety z našeho pohledu před kotoučkem její hvězdy) pátrat po planetách především okolo jasnějších hvězd typu Slunce a může odhalit i řadu planet s velikostí a oběžnou drahou podobajícími se Zemi (a díky své citlivosti i případné měsíce, prstence a menší tělesa).  

Ovšem jaké mají složení atmosféry, pokud nějakou mají? To už nám poví jiná mise, a to ARIEL, která se má do vesmíru vydat v roce 2029 a během alespoň čtyřletého působení pomocí tranzitní spektroskopie – tedy pozorování světla procházejícího k nám při tranzitu planety i skrz její atmosféru – zkoumat přítomnost a složení atmosféry zhruba tisíce známých planet od plynných obrů po kamenné planety mírně větší než Země či Venuše. Mise nám také poskytne statistická data o proměnlivosti klimatu či oblačnosti. Na misi se podílí přes 50 aktérů z šestnácti států ESA, u nás mezi ně patří Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR a centrum TOPTEC pod Ústavem fyziky plazmatu AV ČR. Současně s ARIEL by měla startovat také mise Comet Interceptor s cílem výzkumu neperiodické/dlouhoperiodické komety z vnějších oblastí sluneční soustavy nebo prolétající komety z jiné hvězdné soustavy. Na ní se podílí firma OHB Czechspace spolu s vědci z AV ČR.

Všechny tyto mise svým způsobem spojuje otázka obyvatelných prostředí ve vesmíru: Jak je ovlivňuje hvězdná aktivita? Jakou minulostí prošla Venuše a mohla kdysi mít povrch přívětivý pro život, ať už by tam vznikl či ne? Jak „fungují” oceány ledových měsíců? Kolik je ve vesmíru planet podobně velkých a osluněných jako Země a jaká mají (alespoň ty mírně větší než Země, zůstaneme-li u ARIEL) složení atmosfér? Je šance, že na některých objevíme chemické nerovnováhy a látky, za něž by mohl potenciálně být zodpovědný život? Kde všude mohl život vzniknout a jaké různé prebiotické látky mohly být kdysi na naši planetu dopraveny kometami?

Jevy z počátků vesmíru

Ptáme-li se ale po počátcích, je život pouze jednou menší dílčí otázkou. Jevy odehrávající se za extrémních podmínek i v raném, horkém energetickém vesmíru má zkoumat rentgenový teleskop ATHENA, na němž se podílejí Astronomický ústav a Ústav fyziky atmosféry AV ČR. Pokud mise v roce 2027 projde finálním schválením, měla by roku 2037 odstartovat a poodhalit nám děje v okolí supermasivních černých děr v centrech galaxií. Jak tyto černé díry vznikly a jakým způsobem ovlivnily formování galaxií? Jak se v raném vesmíru chovala hmota na velmi velkých škálách?

Z jiného úhlu pohledu nám odpovědi na podobné otázky poodhalí také mise LISA s cílem detekce gravitačních vln, která byla finálně schválena v lednu letošního roku a měla by odstartovat již v roce 2035. Hned čtyři ústavy AV ČR (Astronomický ústav, Fyzikální ústav, Ústav fyziky atmosféry a Ústav termomechaniky) se podílejí na konstrukci součástky FSUA zodpovědné za přepínání laserů u trojice sond mise. „V roce 2015 potvrdilo existenci gravitačních vln laserové zařízení LIGO v USA. Vesmírná mise LISA bude zkoumat gravitační vlny ve vesmíru,“ říká fyzikální inženýr z Fyzikálního ústavu AV ČR David Hlaváček, který se na přípravě mise podílí, a ukazuje při tom záložní laser, na který se ve vesmíru přepne detekce v případě selhání hlavního laseru. Záložní laser funguje na jiných vlnách než hlavní laser a je tak malý, že se vejde do ruky. 

Mise LISA/ Foto: ESA

Účast na kosmických misích samozřejmě vyžaduje nejen vědeckou, ale i průmyslovou aktivitu, která se odehrává na vědeckých pracovištích i v soukromých firmách. V ČR dnes působí okolo 150 firem podílejících se přímo či nepřímo na kosmických sondách. Blíže propojit vědeckou a průmyslovou sféru a umožnit novou spolupráci má mimo jiné workshop Academia & Industry, chystaný 7. listopadu v rámci akce Czech Space Week. Jejich užší propojení může i usnadnit podávání nových návrhů na kosmické mise a jejich přístroje v rámci programu ESA PRODEX.

Ne všechny kosmické mise jdou tímto způsobem přes ESA; různá česká pracoviště se podílela a podílejí i na aktivitách vedených primárně NASA a jinými institucemi či vlastních menších misích, které by vydaly na další samostatný článek, stejně jako zapojení v oblasti pozorování Země či pozemních observatoří a po dlouhé pauze do budoucna také pilotovaných letů. Zejména současní studenti, vědci a inženýři na začátku kariéry tak mají na výběr celou plejádu možností zapojení. Tomu dopomáhají i nové předměty či celé studijní programy jako Letectví a kosmonautika na ČVUT či Letecká a kosmická technika na VUT nebo zatím zvažovaná „graduate school” při AV ČR zaměřená na kosmický výzkum. Podobné programy budou s rostoucí poptávkou po odbornících a množstvím vesmírných aktivit stále potřebnější.

Kosmické mise zkoumající sluneční soustavu a hluboký vesmír jsou tak jednou z mnoha cest, kudy se můžeme vydat za lepším poznáním vlastní planety a našeho blízkého i dalekého kosmického okolí. Počkejme si, jaké odpovědi i nové fascinující otázky nám v příštích letech přinesou… 

Příležitost pro české firmy

Kosmický průmysl prochází v posledních letech zásadními změnami, které se promítají i do kosmického výzkumu. Stále častěji v něm hrají významnou roli malé družice známé jako cubesaty. Mezi příklady takových družic patří i GRBAlpha a GRBBeta, které vyvinul český startup Spacemanic. Družice GRBAlpha, vypuštěná v roce 2021, má rozměry 10x10x10 cm. Letos v červenci byla na oběžnou dráhu vyslána družice GRBBeta, která je dvakrát větší – 20x10x10 cm. Spacemanic získal podporu od kosmického inkubátoru ESA BIC Czech Republic, který provozuje agentura CzechInvest. „Obě družice jsou určeny k detekci gama záblesků. GRBAlpha jich od svého vypuštění zaznamenala již více než 140 a GRBBeta na tento výzkumu naváže. Ještě před pár lety byly cubesaty hlavně technologickými demonstrátory, dnes už dokáží provádět špičkový vědecký výzkum,“ vysvětluje Michal Kuneš, programový manažer ESA BIC Czech Republic.

Na vesmírném výzkumu se podílí i řada dalších českých firem, které se sdružily v klastru Brno Space Cluster. Pro některé firmy je vývoj zařízení pro vesmírný výzkum hlavní činností, jako například pro firmu TRL Space Systems, jiné firmy se výzkumu věnují spíš doplňkově ze zájmu ke své jiné hlavní činnosti. Vesmírný výzkum je totiž i způsob, jak udržet své výzkumnice a výzkumníky, aby pro ně byla práce zajímavá a neodešli jim jinam. 

Autoři: Julie Nekola Nováková (Fyzikální ústav AV ČR), Jiří Svoboda (Astronomický ústav AV ČR), David Hořínek (CzechInvest), Vladislav Vojtíšková (VědaVýzkum.cz)