9. díl: NGC 6543 „Kočičí oko“ – planetární mlhovina, která nám dala astrofyziku

Závěrečný díl seriálu o letní obloze se bude věnovat velmi zajímavé planetární mlhovině. Říkáme jí „Kočičí oko“ a nachází se v souhvězdí Draka. Přestože Drak není vysloveně letním souhvězdím, nejlepší podmínky pro jeho pozorování nastávají právě v létě. V 19. století se Kočičí oko stalo předmětem zájmu anglického astronoma, který na něj aplikoval tehdy mladou vědeckou metodu zvanou spektroskopie…

Patrně neexistuje člověk, který by nebyl okouzlen pohledem na duhu.

Úplně stejně to platilo i pro naše předky. V dávných kulturách se s tímto úkazem pojila celá řada legend a příběhů – například původní obyvatelé Austrálie, kterým říkáme Aboriginové nebo Austrálci, v ní viděli přímo božského stvořitele světa a všech bytostí. Starogermánské kmeny na severu Evropy měly svůj duhový most Bifröst spojující Ásgard (svět bohů) s Midgardem (světem lidí). Antičtí Řekové si duhu zosobňovali jako bohyni Iris a věřili, že na ní rychlostí větru létá a přináší od bohů zprávy plné míru a štěstí. Nám nejbližší staří Slované naopak měli z duhy respekt – kdo by toužil po tom, aby se jí snad dotkl a ona jej odnesla na nebe? Ještě by se z něj mohl stát „planetnik“, napůl démonická bytost poddaná vládci hromů Perunovi! Mnohem sympatičtější by zřejmě každému bylo uvidět duhu v Irsku. Tam bychom se totiž mohli pokusit dojít na její konec a najít hrnec zlaťáků, který tu schoval skřítek leprikón.

Středověký perský matematik a fyzik Ibn Sahl (asi 940 – 1000) působil v Bagdádu jako dvorní učenec vládnoucí dynastie Bújovců. Za svého života se věnoval sklíčkům a zrcadlům různých tvarů, protože měl v úmyslu zdokonalit tzv. zápalná skla. Dnes jim samozřejmě říkáme spojné čočky a víme, že se dají použít k soustředění slunečních paprsků do jednoho bodu a rozdělání ohně. Odedávna toho hojně využívají kněží (vzpomeňme si na sluncem zapalovaný olympijský oheň), alchymisté, lékaři, námořníci a mnozí další. V Ibn Sahlově době však ještě „zápalným sklům“ něco k dokonalosti chybělo: lidé neznali žádný jiný druh zakřivení než kulové, které má ale nectnost nazývanou dnes kulová (sférická) aberace. Jedná se o to, že paprsky procházející blíže k okraji čočky se lámou více (pod ostřejším úhlem) než paprsky blíže ke středu, takže ať se snažíme sebevíc, nepodaří se nám soustředit je do jediného bodu zcela přesně. Dosáhneme vždy pouze soustředění do malého kruhového terčíku, což pak účinnost takového „zápalného skla“ snižuje. (Kdybychom si v moderní době koupili laciný fotoaparát s objektivem trpícím sférickou aberací, vedla by tato vada ke snížení kontrastu na snímcích, „měknutí“ jejich kresby či přímo k rozmazání. Touto vadou také zpočátku trpělo hlavní zrcadlo Hubbleova dalekohledu, než k němu přiletěla servisní mise STS-61 a instalovala přídavný optický systém COSTAR.)

Ibn Sahl tedy začal experimentovat se sklíčky a zrcadly různých tvarů. O svých pokusech napsal vědecký spis, ve kterém se věnoval zakřivení elipsoidálnímu, parabolickému i hyperbolickému. Navrhoval, aby zápalná skla byla broušena s parabolickým zakřivením, a s pomocí jednoduché geometrie (např. pravoúhlého trojúhelníku) objevil zákon lomu světla. Dnes mu říkáme Snellův zákon podle jeho znovuobjevitele, Holanďana Willebrorda Snella (1580 – 1626). Bohužel také neznáme žádný Ibn Sahlův portrét, protože muslimské národy z náboženských důvodů živé bytosti příliš často nezobrazují.

Významnou práci věnovanou lomu světla vydal proslulý francouzský filozof a učenec René Descartes (1596 – 1650). V roce 1648 pak objevuje málo známý český polyhistor Jan Marek Marci z Kronlandu (1595 – 1667) disperzi světla, tj. jeho rozklad na barvy po průchodu hranolem, o 18 let dříve než Isaac Newton. Oproti Newtonovi se chybně domnívá, že barevné složky bílého paprsku jsou důsledkem různě intenzivního zhušťování světla při průchodu sklem, takže jej na rozdíl od Newtona nenapadne barvy své duhy opět složit. Tím byla podstata vzniku „mostu mezi božským a lidským světem“ vysvětlena – sluneční světlo prochází z našeho pohledu dešťovými kapkami a rozkládá se na barevné složky.

A tak se konečně dostáváme k počátku spektroskopie. Na základě bádání všech těchto velikánů totiž mohl německý vědec Joseph von Fraunhofer (1787 – 1826) sestrojit difrakční mřížku a upevnit ji za dalekohled. Namířil dalekohled na Slunce a sledoval sluneční světlo rozložené na jednotlivé barvy. V této své „umělé duze“ pozoroval tmavé čáry, které dnes nesou jeho jméno. Jeho přínos spočíval především v tom, že dokázal pochopit význam těchto čar – všiml si, že prochází-li sluneční světlo různými druhy skla, spektra sice mají různou šířku podle chemického složení skla, ale jedna konkrétní čára – například ta první zleva – se bude vždy nacházet mezi dvěma stejnými barvami. Díky tomu mohl začít počítat konkrétní vlnové délky spektrálních čar.

Pak už bylo vše připraveno k tomu, abychom objevili, že různé materiály vydávají při zahřívání své specifické světlo. Vyvinuli jsme postup, při kterém se určitá látka uzavře ve skleněné trubici bez vzduchu a do té se pustí elektrický proud. Začne se odpařovat a díky excitaci vydávat světlo, díky Fraunhoferovi už o známé vlnové délce, jehož spektrum si zaznamenáme. A jako velké finále přichází aplikace tohoto postupu v astronomii – pořídíme-li spektrum světla přicházejícího od nebeského tělesa, můžeme jeho analýzou odhalit jeho chemické složení.

Nové metody v podobě spektroskopie se chopil i italský kněz, člen jezuitského řádu a vědec, otec Angelo Secchi (1818 – 1878). Když byl ve věku 32 let jmenován ředitelem Římské koleje, rozhodl o stavbě nové vatikánské observatoře na střeše kostela sv. Ignáce z Loyoly. Po jejím dokončení se zde začal věnovat pečlivým výzkumům. S pomocí spektroskopu začal nejen jako první na světě zakreslovat sluneční protuberance i mimo zatmění, ale navíc porovnáním slunečního spektra se spektrem hvězd noční oblohy dokázal zásadní fakt: naše Slunce je jednou z hvězd. Kromě toho začal hvězdy na obloze rozřazovat do spektrálních tříd, které pak nadlouho převzala celá vědecká komunita.

O spektru mlhovin všeobecně a o těch planetárních zvláště

Snad by nám Jan Neruda odpustil, že jsme si vypůjčili název jeho fejetonu o malostranských bubácích z roku 1876 a vtiskli mu astronomickou podobu. Právě tento posun v našem využívání spektroskopie totiž nastal jako další.

Angličan William Huggins (1824 – 1910) pocházel z dobře zajištěné rodiny. Díky úsilí svého otce si mohl dovolit vzdělání u soukromých učitelů a postavil si také vlastní observatoř na Upper Tulse Hill (před dvěma staletími se ještě jednalo o klidné místo nedaleko Londýna, dnes už je jeho součástí). Huggins se zde nejprve začal věnovat obvyklým pozorovacím aktivitám, brzy mu ale začaly připadat poněkud rutinní a zatoužil po inovacích. Kdyby tak dostal nějaký neotřelý nápad, kdyby dokázal přijít s něčím nezvyklým, co by posunulo astronomii o další kousek dopředu! Po nějaké době se mu přání splnilo – doslechl se o spektroskopii a byl nadšen. Rozhodl se, že ji do svých pozorování zahrne. Začal systematicky mapovat spektra hvězd. Jako správný vědec ale ani tady neustrnul a večer 29. srpna 1864 sám před sebe postavil ještě větší výzvu.

V 19. století už se astronomové dočkali natolik velkých teleskopů, že mnoho „mlhovin“ se při pohledu do nich ukázalo být ve skutečnosti shluky hvězd. Mnozí proto vedli debaty v tom smyslu, že nic takového jako „mlhovina“ by ani nemuselo existovat a že s dostatečně výkonným dalekohledem bychom nakonec ve všech spatřili jednotlivé světelné body. Huggins tedy svůj dalekohled namířil na mlhovinu NGC 6543 „Kočičí oko“. Ti, kdo znají všechny předchozí díly tohoto seriálu, už s jejím nalezením nebudou mít žádné potíže – nachází se totiž mezi Herkulem a Labutí, nad napřaženým kyjem bájného siláka:

K Hugginsovu překvapení mu spektroskop upevněný za dalekohledem neukázal spojité spektrum přerušované Fraunhoferovými čarami jako u hvězd, nýbrž pouze několik izolovaných svítících linií. Ihned mu bylo jasné, o co jde – mlhovina Kočičí oko nemůže být tvořena hvězdami, ale pouze oblakem plynu. Ve svých zápiscích potom učinil závěr, že Slunce i všechny ostatní hvězdy musely v dávné minulosti vzniknout z takových plynných oblaků. Myšlenka to byla naprosto správná a dnes ji všeobecně přijímáme. Již také víme, že spektrum mlhoviny a planetární mlhoviny se liší: zatímco u emisních mlhovin dominuje ve spektru vodík a ty reflexní „kopírují“ spektrum hvězdy, která je osvětluje, planetární svítí díky excitaci plynu ultrafialovým zářením bílého trpaslíka a ve spektru je patrný především kyslík a vodík H α.

Vědecká dráha Williama Hugginse dostala nový impuls v polovině 70. let 19. století, kdy poznal svou manželku Margaret. Tato výjimečná žena se pro něj stala velikou oporou a nesmírně zdatnou spolupracovnicí. Koneckonců, sama si již dříve postavila vlastní dalekohled i vlastní spektroskop. Věnovala se také fotografování, a protože její manžel se předtím nepříliš úspěšně snažil fotografovat naměřená spektra hvězd, vyřešila tento jeho problém použitím suchých želatinových desek. Díky svým zkušenostem se stavbou optických přístrojů vybavení observatoře v Upper Tulse Hill zásadně vylepšila, aby bylo možné jej používat pro jejich zásluhou se rodící hvězdnou spektroskopii. William Huggins si pochopitelně Margaretina přínosu nesmírně vážil, v publikovaných spisech ji otevřeně uváděl jako spoluautorku. Svou společnou práci oba manželé dovedli dokonce tak daleko, že pořídili spektrum komety, vybuchlé novy a nakonec se coby současníci Marie Curie-Sklodowské a jejího manžela Pierra pokusili i o zachycení spektra radioaktivního záření.

Roku 1890 byla Margaret Hugginsová jednou ze čtyř žen zvolených do rady Britské astronomické asociace (BAA) a o 13 let později se stala i čestnou členkou Královské astronomické společnosti.

Co víme dnes?

Již za života manželů Hugginsových byl lidem znám světelný bod, který se v centru mlhoviny Kočičí oko nachází. Teprve ve 20. století však vědci postupně odhalili mechanismus životního cyklu hvězd a zjistili, že tento bod je ve skutečnosti odhalené, nesmírně žhavé jádro bývalé hvězdy. Ta na konci svého života svůj plazmatický obal rozptýlila do vesmíru a stala se tzv. planetární mlhovinou. Tento pojem již naši čtenáři také dobře znají. V našem konkrétním případě se tedy nejedná o volně rozptýlený plyn a prach přítomný v galaxiích, který by se vlivem gravitace shlukl a postupně v něm začaly vznikat nové hvězdy, ale naopak o „pohrobka“ hvězdy, která spotřebovala své vodíkové palivo.

Hubbleův kosmický teleskop se nenechal zahanbit a planetární mlhovinu NGC 6543 „Kočičí oko“ vyfotografoval takto: