Výbuch v okolí Hadonoše

Norbert Werner si minulý čtvrtek udělal volno. Ten den slavil devětatřicáté narozeniny, a i kdyby nakrásně pracovat chtěl, plánované přednášky či schůzky s doktorandy na Přírodovědecké fakultě brněnské Masarykovy univerzity mu překazila epidemie koronaviru. Přesto bylo jisté, že docent Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky ze své badatelské vášně nesleví ani za krizových časů. „Isaaca Newtona napadly nejlepší věci, když byl doma v karanténě,“ směje se Werner s odkazem na morovou epidemií vynucenou přestávkou ze studií, kterou geniální anglický fyzik, matematik a astronom v letech 1665–1667 trávil na rodném statku ve východní Anglii – a během níž přišel s řadou objevů.

Newtonovi stačil ovocný sad. Slovenský astrofyzik, s dlouhými vlasy staženými gumičkou a v džínách působící spíš jako student, k velkým objevům potřebuje notebook s dostatkem místa na disku a rychlé připojení k internetu. Ani nouzový stav a doporučený pobyt doma jej tedy nemůžou odradit od zkoumání otázek, které s momentálním dramatem na Zemi mocně kontrastují, protože se odehrávají v nepředstavitelně větším časovém a prostorovém měřítku.

Volnou kapacitu v počítači Norbert Werner potřebuje proto, aby se mu tam vešly velké objemy dat stažené z vesmírných družic: zejména rentgenových observatoří Chandra, kterou provozuje americká NASA, a XMM-Newton z dílny Evropské kosmické agentury, které pro něj na vyžádání (žádosti vědců se posuzují jednou za rok a úspěšní žadatelé obvykle obdrží den či dva pozorovacího času) zkoumají vzdálené hlubiny vesmíru a jejich mimořádně mohutné procesy.

Právě za pomoci dat nashromážděných díky pronikavým rentgenovým „očím“ Chandry a XMM-Newton Werner zkoumá to, co ho jako astrofyzika pozorovatele z bohaté palety vesmírných jevů zajímá nejvíc: mimořádně horká místa v kosmu a procesy s „největší energií“, tedy otázky souhrnně označované jako „astrofyzika vysokých energií“.

Laikovi to zní dosti neurčitě. Pokud se ovšem podíváme na Wernerův výzkum nezaujatýma „dětskýma očima“, zjistíme, že jednoduše vysvětluje řadu základních otázek vesmíru. Proč není ve vesmíru více hvězd? Co vlastně ovlivňuje jejich vznik a počty? Jak se chovají černé díry? Co se nachází v prostoru mezi galaxiemi? „V poslední době mě zajímá zejména otázka, jak supermasivní černé díry ovlivňují vývoj galaxií, v nichž se nacházejí,“ říká Werner.

„Vesmír je fascinující, a když o našich objevech lidem neřekneme, tak o nich bude vědět jen pár jedinců. A to by byla škoda.“

Jeden starší objev týkající se právě jedné takové supermasivní černé díry mu dodnes zajišťuje celosvětovou pozornost a potvrzuje jeho pozici mezi absolutní vědeckou špičkou (a to přesto, že se vlastně trochu zmýlil). Světová věda bude díky Norbertu Wernerovi v Brně zanedlouho zastoupena ještě o něco víc: astrofyzik původem z východoslovenské Rožňavy, který doposud dělil svůj čas vedle Masarykovy univerzity také mezi univerzity v maďarské Budapešti a japonské Hirošimě, se od léta nastálo usídlí právě v moravské metropoli. A to nejen aby bádal a vychovával mladé vědce a vědkyně, k jeho misi patří rovněž podpora rozvíjejícího se místního byznysu.

Patnáct Mléčných drah

První březnový den vyšel v odborném časopise Astrophysical Journal článek skupiny vědců v čele s astrofyzičkou Simonou Giacintucci z americké Námořní výzkumné laboratoře. Text vyvolal v komunitě značné pozdvižení. Důvody rozruchu jsou rychle jasné i naprostému laikovi: týmu se za pomoci analýzy dat z vesmírných družic a teleskopů podařilo doložit, že v galaxii s nepříliš poetickým názvem WISEA J171227.81–232210.7, vzdálené 390 milionů světelných let od Země a patřící do souhvězdí Hadonoše došlo k obřímu výbuchu.

Objev je naprosto výjimečný i na vesmírné poměry, které obvykle pokoušejí limity naší představivosti. Do „dutiny“, kterou exploze zanechala v plynu vyskytujícím se v prostoru galaxie, by se vešlo patnáct Mléčných drah – tedy galaxií, do níž patří také Sluneční soustava se Zemí – vedle sebe. Dodejme, že Mléčná dráha měří napříč nepředstavitelných sto tisíc světelných let.

Slovo „výbuch“ je nicméně zavádějící, protože v pozemských pojmech si pod ním představíme rychlou a prudkou „akci“, kdežto v tomto případě erupce trvala sto milionů let. Prudká a intenzivní ovšem nepochybně byla: šlo o explozi pětkrát intenzivnější než nejsilnější doposud lidmi změřený kosmický výbuch. Jinými slovy – jde o největší zaznamenanou erupci, kterou v dějinách vesmíru (alespoň tak, jak jsme je zatím měli možnost poznat a prozkoumat) překonává jen slavný velký třesk.

Celé drama nejspíš způsobila „supermasivní“ černá díra, která „sedí“ ve středu zmiňované galaxie, a erupci způsobila tím, že „vyvrhla“ obrovskou dávku energie. Zde krátce připomeňme, že astrofyzici dnes dělí černé díry do dvou kategorií, a to podle jejich velikosti: vedle supermasivních obrů existují menší, „stelární“ černé díry. Rozdíl mezi nimi je značný – zatímco „nejlehčí“ zdokumentovaná černá díra váží tolik co tři Slunce, hmotnost jejích těžkotonážních sester se vyčísluje na miliony, či dokonce miliardy Sluncí. Kupříkladu supermasivní černá díra v naší Mléčné dráze má hmotnost (zaokrouhleně) čtyř milionů Sluncí.

„Předpokládáme, že by mohly existovat také černé díry střední velikosti, ale nemáme ještě pevný důkaz o jejich existenci,“ říká Werner. Supermasivní černá díra, o které je tu řeč, vystřelila energii tak obrovskou, že ji vědci vyčíslili jako ekvivalent padesáti miliard explozí supernovy.

Tím se dostáváme k Wernerovu zjištění, které zmiňovaný článek v Astrophysical Journal zmiňuje hned v druhé větě, protože bez něj by se zásadní objev velkého výbuchu neuskutečnil. V roce 2015 už se jeho celkem osmiletý pobyt na prestižní americké Stanfordově univerzitě, kde studoval díky grantu od NASA, chýlil ke konci, když zaměřil svoji pozornost právě ke shluku galaxií v souhvězdí Hadonoše a tamním supermasivním černým dírám. Norberta Wernera zajímá vedle dalšího chování černých děr zejména energie, která se z nich uvolňuje ve formě „výtrysků“ a jež následně interaguje s plynem, který se nachází v okolním prostoru. „V okolním plynu tyto výtrysky nafukují velké laloky či bubliny,“ říká Werner. Tyto „bubliny“ jsou pak pozorovatelné právě zmiňovanými družicemi Chandra nebo XMM-Newton.

Jednu takovou bublinu Werner objevil právě při analýze dat ze souhvězdí Hadonoše. Její podoba, velikost a další okolnosti v něm budily značnou nedůvěru – jak už jsme zmínili, ukázalo se, že k jejímu vytvoření byla potřeba pětkrát větší energie, než jaká byla změřena u dosud největšího zaznamenaného výbuchu. Jenže zatímco tento dosavadní rekordman řádil v kosmických končinách velmi vzdálených od Země, jeho potenciální pětinásobně větší konkurent vybuchl v místě mnohem bližším, a navíc v oblasti velmi jasné. „Proč by měl být největší pozorovaný výbuch tak blízko u nás, a navíc v druhém nejjasnějším shluku galaxií na naší obloze?“ zněla astrofyzikova největší pochybnost.

Pro lepší vysvětlení pochyb, které měl, si Werner vypomáhá metaforou: Je to podobná situace, jako kdyby vědec zkoumající vzrůst lidí zjistil, že nejvyšší člověk světa bydlí hned ve vedlejším domě. Podobně jako nečekáte, že budete mít za souseda obra, tak úplně nepředpokládáte, že se největší výbuch ve změřených dějinách vesmíru odehraje v oblasti (na vesmírné poměry) velmi blízké Zemi. „Bylo to zkrátka příliš nepravděpodobné, že bychom něco takového měli ve svém vesmírném sousedství,“ vysvětluje, proč toto zdůvodnění zamítl a ve vědeckém textu publikovaném v prestižním časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v roce 2016 předestřel jiná možná vysvětlení, třeba že výduť způsobila srážka s jiným shlukem galaxií.

Borůvka na Zemi

Tým Simony Giacintucci se ale rozhodl Wernerem objevenou bublinu prozkoumat znovu, a to nejen za pomoci družic Chandra a XMM-Newton, ale také za využití nejnovějších rádiových teleskopů v Austrálii a v Indii. „Většina rádiových dalekohledů pracuje na vyšších frekvencích, ale máme už nová zařízení, která pozorují na velmi nízkých frekvencích,“ říká Werner. Díky širšímu spektru přístrojů se tak vědcům podařilo doložit, že výduť skutečně způsobil obrovský a dosud nevídaný výbuch. „Našli důkaz, který mně chyběl – a byl jsem velmi rád, že se jim to podařilo,“ říká astrofyzik o práci kolegů, o níž se dověděl už před dvěma lety při setkání se Simonou Giacintucci a jejím manželem a kolegou Maximem Markevitchem v Goddardově kosmickém středisku v americkém Marylandu.

Z faktu, že kolegové potvrdili jeho zjištění, které původně zavrhl, měl opravdovou radost. Objev má totiž podle Wernera velký význam pro další bádání. Zejména ovlivní způsob, jak přemýšlíme o schopnostech černých děr i o celém kosmu. „Pokud něco takového máme v sousedství, tak to musí existovat všude ve vesmíru, nejspíš to nebude až tak výjimečné. Objevuje a pozoruje se to ovšem velmi obtížně,“ říká.

Objev je rovněž dalším dokladem o pozoruhodných schopnostech černých děr: když porovnáme velikost černé díry a následné bubliny způsobené výbuchem, do níž by se, jak už jsme zmínili, vešlo patnáct našich Mléčných drah, jde o obrovský nepoměr. „Představte si objekt velikosti borůvky, který ovlivňuje dění na celé Zemi,“ vypomáhá si Werner další metaforou. A přestože hlavní motivací výzkumu je poznání světa kolem nás, sekundárním efektem je vývoj technologií, které jsou k astrofyzikálnímu bádání potřeba a které pak mohou mít následně i běžné využití. V minulosti tak byly kupříkladu tzv. CCD kamery vyvinuty pro využití na astronomických dalekohledech, dnes je lidé běžně používají ve spotřební elektronice. Spojení mezi vědou na špičkové úrovni a jejím praktickým využitím se chce Norbert Werner věnovat právě v Brně, kde se chystá v létě po řadě světoběžnických let usadit nastálo.

Trénink od Alana Aldy

Rodák z východoslovenské Rožňavy – městečka s dvaceti tisíci obyvateli nedaleko Košic – se narodil do rodiny, kde matka i otec pracovali jako důlní inženýři a kde mělo toto povolání dlouhou tradici. Od dětství ale bylo jasné, že jeho zájem nepovede pod zem, ale opačným směrem – nahoru ke hvězdám. A to nejen díky tatínkovi, který mu místo pohádek od útlého věku vyprávěl o Měsíci a hvězdách, ale taky díky dědečkovi, který stál před padesáti lety u založení místní lidové hvězdárny.

Během dospívání a studia na gymnáziu Norbert Werner zažil ještě jedno zásadní setkání, které ovlivnilo nejen jeho zájem o astrofyziku, ale celkový přístup k vědě. V Rožňavě se během objíždění (tehdy ještě) Československa pravidelně zastavoval známý český astrofyzik a popularizátor vědy Jiří Grygar. Když Wernerovi odsouhlasil, že mu coby studentovi druhého ročníku gymnázia pomůže s odbornou prací, ukázalo se jasně, jak zásadní je pro začínajícího vědce setkání se špičkovým představitelem oboru.

Proto taky po letech, která strávil studiem v Nizozemsku, kde si udělal doktorát, a na zmiňovaném Stanfordu odmítl nabídky zůstat v Americe a učit na tamních univerzitách. Vrátil se domů i přesto, že se v San Francisku po osmi letech života cítil jako doma. „Měl jsem pocit, že moje práce bude mnohem smysluplnější tady,“ říká Werner. „Chtěl bych, aby se výzkum na úrovni, na které jsem ho dělal v Holandsku a Americe, mohl dělat i tady. Aby moji studenti měli tu možnost, protože jsou vynikající a velmi talentovaní.“ Studenti a studentky – zatímco za časů Wernerových studií byla astrofyzika stále ještě převážně mužský obor, dnes už je poměr vyrovnaný.

Jak vidno na záznamech jeho veřejných přednášek, přivezl si Norbert Werner z Ameriky ještě jednu schopnost, kterou jsou tamní vědci proslulí – smysl pro popularizaci vědy. „Považuji to za důležité a mám to rád,“ říká. „Vesmír je fascinující, a když o našich objevech lidem neřekneme, tak o nich bude vědět jen pár jedinců. A to by byla škoda.“ Pro americké vědce je to nutnost daná způsobem financování vědy, o němž rozhoduje také Kongres, jsou tedy systematicky trénovaní v tom, aby dokázali politikům srozumitelně a zábavně podat výsledky svého bádání. Werner se na Stanfordu zúčastnil speciálního tréninku vedeného hercem Alanem Aldou a odnesl si z něj řadu cenných poznání. Třeba zásadu vysvětlovat lidem, jak přesně a za pomoci jakých postupů a přístrojů k tomu či onomu objevu dospěl. „Lidé si to pak dokážou lépe představit,“ říká.

Nastálo do Brna astrofyzika přesunula kombinace několika okolností. Z Budapešti, kde měl dosud základnu, ho vyhnala komplikující se politická situace. Zároveň získal prestižní grant Masarykovy univerzity zvaný MUNI Award for Science and Humanities, který mu na následující tři roky zajistí štědré financování a početný výzkumný tým. Brno ho lákalo rovněž jako město příjemné k žití a plné studentů a jejich mladistvé energie. A do této skládačky přesně zapadl i fakt, že právě teď se začínají na tamní byznys scéně stále více objevovat firmy zaměřující se na vesmír: vyvíjejí třeba nanosatelity, tedy družice výrazně menší než jejich existující kolegyně (a také levnější, stojí půl milionu eur oproti miliardě), nebo vyrábějí komponenty pro družice. „Chtěl bych ukázat, že i s nanosatelity se dá dělat zajímavá věda, že je pro ně prostor a že dokážou doplnit ty velké,“ říká. Norbert Werner má s Brnem zkrátka velké plány: „Máme reálnou šanci udělat z Brna centrum pro astrofyziku vysokých energií.“