Ako prakticky merať vesmírne vzdialenosti?

„Povedz mi v akých jednotkách meriaš vzdialenosti a ja ti poviem, čím si.“ Toto nefunguje takmer nikdy a s nikým, je však jedna výnimka. Ak vám niekto povie, že: „Vzdialenosti meriam v zetkách,“ takmer isto viete, že hovoríte s kozmológom.

Ako slúži ‘z’ na meranie vzdialeností vo vesmíre? Nesie informáciu o tom, koľkokrát sa natiahla vlnová dĺžka svetla kým k nám dorazilo. V svetle, ktoré prešlo cez chemikálie, napríklad vodík, zostanú jasné stopy a tie sa vplyvom rozpínania poposúvajú. Ak napríklad takúto stopu hľadáte na vlnovej dĺžke 100 nanometrov a nájdete ju na 150 nanometroch, viete, že sa svetlo roztiahlo o 50%.

Tými stopami nie je nič iné, len spektrálne čiary – vlnové dĺžky svetla, ktoré daný prvok absorboval a tým do neho vykúsal diery.

Parameter ‘z’ sa volá aj parameter červeného posunu, lebo červené vlnové dĺžky sú dlhšie ako modré a naťahovaním sa svetlo stáva červenším. Tento parameter tak zachytáva, ako veľmi svetlo očervenelo, respektíve všeobecnejšie: ako sa natiahla jeho vlnová dĺžka.

Rozpínanie vesmíru máme dobre zmapované a keď viete určiť, koľkokrát sa počas letu svetlo natiahlo, viete povedať, ako dlho letelo a teda aj z akej vzdialenosti. Parameter ‘z’ je – približne – daný ako pomer vlnovej dĺžky svetla keď k nám dorazilo a keď sa vydalo na cestu.

Píšem približne, lebo vzorček je mierne upravený tak, aby svetlo, ktoré neprecestovalo žiadnu vzdialenosť malo hodnotu z = 0.

Takže pre kozmológa sú veci s malým ‘z’ blízko a s veľkým ‘z’ zas ďaleko. Kozmológov zaujíma vesmír ako celok a tým pádom aj veľké vzdialenosti. Hodnota z = 1 zodpovedá vzdialenosti 10.9 miliárd svetelných rokov, ide o svetlo, ktoré k nám putovalo 7.8 miliardy rokov.

(Ak sa teraz čudujete, prečo 10.9 a 7.8, keď predsa svetlo letí rýchlosťou svetla tak krátka odpoveď je, že do tých 11 je zarátaných aj to, že sa vesmír rozpína a teda meter, ktorý kedysi preletelo svetlo je dnes dlhší než meter.)

Treba si však dať pozor, veci sa tu nedajú násobiť jednoducho, ak je niečo vzdialené z = 2, na svetelné roky je to 17.2 miliardy, namiesto naivne očakávaných 2 × 10.9 = 21.9 miliárd. Bez hanby sa na to používajú online kalkulačky, napríklad táto https://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html .

Ak sa niečo nachádza hneď na špičke vášho nosa, tak môžete povedať, že vzdialenosť tohto objektu je z = 0. V kozmológii majú objekty rádovo jednociferné hodnoty ‘z’, typicky nie ďaleko od 1. Vzdialenosť z = 1100 zodpovedá reliktovému žiareniu, ide o najvzdialenejšiu svetlom-viditeľnú vec vo vesmíre. Hypoteticky, zdroj z Veľkého tresku by mal z = ∞. Tým pádom, že je veličina ‘z’ zadefinovaná ako pomer vlnových dĺžok, nemá žiadnu jednotku; takéto veličiny označujeme ako bezrozmerné.

Pri písaní knihy Obyčajné zázraky som tušil, že prvý fakt, ktorý nebude platiť je, že najvzdialenejšia známa galaxia vo vesmíre je GN-z11, ktorej vzdialenosť je, ako názov napovedá, približne z = 11. Teda svetlo z nej sa počas letu natiahlo približne 11-krát! A síce kedysi žiarila na jasne modro, vidíme ju ako tmavo-červenú.

Tušil som, že s týmto rekordom Webbov vesmírny teleskop hravo zamáva, no ešte pred jeho spustením rekord (pravedpodobne) trhla galaxia HD1 so vzdialenosťou z = 13.27.

Nedávno sa začali spracovávať výsledky z Webbovho teleskopu a rekord sa opakovane posúva – aj keď zatiaľ nie sú výsledky potvrdené.

Jedna z (možno) galaxií, CEERS-93316,  sa nachádza vo vzdialenosti z = 16.7 a to znamená niečo fascinujúce – šlo by o galaxiu, ktorá svietila už 235 miliónov rokov po Veľkom tresku. Pred dvomi týždňami sa objavil preprint článku s možno ešte vdialenejším zdrojom: vzdialenosť má okolo 20 ‘z’, čo by znamenalo svietiacu galaxiu už 174 miliónov rokov po Veľkom tresku.

Ak by ste sa donedávna opýtali astrofyzikov, kedy vznikali prvé galaxie, udávali by hodnotu väčšiu – ak sa tak objavy potvrdia, Webbov teleskop trhne ďalší rekord – v rýchlosti, akou prepísal učebnice. Vyzerá, že plní svoj sľub a výrazne spresňuje naše predstavy o tom, ako rýchlo sa vo vesmíre začali formovať prvé galaxie a štruktúry, z ktorých sme postupne vznikli aj my.

[Samuel]