Astronomické poznatky
v běžném životě
Astronomie a základní výzkum
Oficiální metodika dle OECD:
1) Základní (badatelský) výzkum - experimentální nebo teoretické práce, které
jsou v prvé řadě zaměřeny na získávání nových poznatků o nejzákladnějších
příčinách jevů (fenoménů) a pozorovatelných skutečností, aniž by se však
zabývaly otázkami užití a vyžití těchto poznatků.
prof. Antonín Holý
2) Aplikovaný (cílený) výzkum - experimentální a teoretické práce k získání
nových poznatků, ale zcela jednoznačně zaměřených na specifické, konkrétní
předem stanovené cíle využití.
Michael Faraday – objev elektromagnetické indukce (1831);
tehdejší premiér a ministr financí William Gladstone:
„K čemu je to dobré“?
Faraday: „Ještě nevím, ale určitě to brzy můžete zdanit.“
A co astronomie? Je to praktická věda?
Oblasti transferu vědomostí z astronomie
Vzdělávání a popularizace vědy
Astronomie – zdroj vytváření světonázoru v různých kulturách
podoba našeho světa, jeho stvoření a místo člověka a Země
věčné otázky: Kdo jsme? Kde jsme se tu vzali? Kde se vzal náš vesmír? Jak vznikl?
– vycházelo se z pozorování objektů na denní i noční obloze
Nebeská tělesa = božstva
ale
• astronomická pozorování pomáhala vytvářet (nejen božské) modely světa a jeho
uspořádání
• posouvá se hranice modelování – od Země, přes Sluneční soustavu, okolní vesmír,
až po vesmír jako celek
• víme hodně, ale otázky zůstávají a objevují se nové
• spojení člověka a hvězd – astrální vliv neexistuje, ale
jsme „děti hvězd“, atomy v našem těle byly součástí hvězd
Astronomie – výsadní postavení mezi vědami
Astronomové mezi nejznámějšími vědci - Carl Sagan – Cosmos (TV), knihy
Stephen Hawking – řada bestsellerů
Jiří Grygar - Okna vesmíru dokořán (TV) - 80. léta 20. st., Žeň objevů
Popularizátoři vědy – zejména astronomie; velké příběhy, nesmírné dálky, obrovský svět,
vizuálně nádherné
Zapojení dětí, mládeže, amatérů
• program pozorování zákrytových dvojhvězd - od 60. let 20. století - téměř jeden a půl tisíce
zejména mladých lidí, studentů; vědecká výchova
• demonstrátoři lidových hvězdáren
• americká Národní rada pro výzkum - žáci, kteří se na základní nebo střední škole zapojí do
vzdělávacích aktivit souvisejících s astronomií -> kariéra ve vědě a technice
• Pro-Am projekty občanské vědy
Čas a kalendář
První měření času:
- z opakování astronomických úkazů, např. ohraničení dne západy a východy Slunce,
poloha Velkého vozu na obloze
- sluneční (měsíční) hodiny
Výchozí bylo otáčení Země kolem své osy
Nutnost předpovídat období záplav a později kvůli daním => vznik kalendáře
• lunární – nejstarší; spojený s fázemi Měsíce
• solární – rozdělený rovnodennostmi a slunovraty
• lunisolární - většina současných kalendářů
Nejpropracovanější kalendář – mayský kalendář
řada cyklů, nejdelší 5119 let;
2012 – konec 52letého a 400letého cyklu,
nikoli konec světa!
Čas a kalendář - nejčastěji zmiňovaný dar astronomie lidské společnosti
Dnes měření času a časový standard – atomové hodiny
měření času nejpřesnějším fyzikálním měřením (odchylka 1 s za 32 miliard let)
ale
pro GPS nutná synchronizace s pohyby Země (rotace i oběh)
– měření vůči kvasarům
astronomové dávali podnět i přestupné sekundě
(při rozdílu mezi atomovým časem a časem odvozeným
z rotace > 0.9 s)
nejkratší sledované astronomické jevy – např. pulsary na škálách zlomků sekund
Čas a kalendář
Navigace
Orientace námořníků podle hvězd
Určování polohy na moři
- zem. šířka – kamal, Jakubova hůl
- zem. délka – problém času, vyřešeno až v 18. st. – Harrisonův chronometr
Dnes – Globální polohovací systém (GPS)
určení polohy s přesností na metry
co s tím má astronomie společného?
- potřebujeme obecnou teorii relativity – bez ní by byla chyba určení polohy
řádově až 10 km, OTR - ověřena s pomocí astronomických pozorování
- měření přesných pozic hvězd – dnes zejména družice GAIA
Orientace a pozice satelitů – vůči hvězdám => bez astronomie by to nešlo!
GPS (obecný název), ale i označení amerického systému – původně Navstar GPS
Dnes různé systémy – evropský Galileo, ruský GLONASS, čínský BeiDou …
Moderní přístroje, mobilní telefony – kombinace družic různých systémů - nejběžnější
užití pro běžného člověka
Nezbytné jsou přesné pozice hvězd => přesná orientace satelitů
Satelity – široká škála užití – telekomunikace, televizní a rozhlasové vysílání, internet,
bankovnictví, meteorologie, monitoring životního
prostředí (stav vegetace, znečištění, lesní požáry,
oceány…), špionáž, výzkum (astronomie, archeologie,
geologie … )
GPS
Přenos dat, wi-fi
mobilní komunikace
- lokalizace pomocí GPS
- spojení mobilního telefonu s okolím
- rádiový signál sítě mobilního operátora na frekvencích kolem 1 GHz
- bezdrátová síť Wi-Fi
Internet – projekt agentury US ministerstva obrany (D)ARPA
1969 počítačová síť ARPANET - pc na 4 US univerzitách
1973 40 počítačů v USA, v Norsku, Velké Británii
na Havaji – připojení observatoře v horách
Normal Abranson a jeho tým – bezdrátová síť ALOHAnet – 1. připojení
k síti prostřednictvím satelitu
1977 Hamaker, O'Sullivan a Noordam - článek Ostrost obrazu, Fourierova
optika a interferometrie s redundantními mezerami
90. léta O'Sullivan - vedoucí týmu na australském CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial
Research Organisation) – vývoj techniky pro snížení rušení rádiových signálů přenášených
v počítačových sítích (v r. 1996 patent) => WLAN (Wireless Local Area Network) - bezdrátová
počítačová síť a standard IEEE 802.11 (modulace pro posílání rádiového signálu)
Zobrazovací technika, CCD, CMOS
1969 Willard Boyle a George E. Smith - nový typ paměťového registru
CCD (charge-couple device, nábojově vázáný prvek) (2009 Nobelovu cenu za fyziku)
základní světlocitlivý prvek poskytující elektrický signál - křemíková fotodioda
hlavní využití – obrazový snímač
1975 - první digitální fotoaparát - rozlišení 0,01 megapixelu (100 x 100 px)
1976 – poprvé využito v astronomii
v 90. letech masivní rozšíření – dostupná technika i pro amatéry => revoluce v astronomii
(množství fotometrických dat, astrofotografie)
použití ve všech snímacích zařízeních (digitální fotoaparáty, kamery, skenery…. )
současnost – obrazový snímač CMOS na principu
unipolárních tranzistorů - světlocitlivý prvek také
křemíková fotodioda, ale jiný způsob přenosu signálu
ven ze snímače (původně také nebyl zamýšlen jako
obrazový snímač)
Fotoaparáty
První 100x100 px (0.01 Mpx), dnes v mobilech i 100 Mpx
největší astronomická CCD kamera dokonce 3200 Mpx!
nejmenší kamera 200x200 px, ale jen 0.575x0.575 mm!
Užití - špionážní technika,
- v medicíně při vyšetřeních nebo operacích
tzv. eyeborgové - lidé s kamerou na místě oka
- biologie – kamery na živočiších, sledování jejich života v přirozeném prostředí
Software na zpracování obrazu
IRAF (Image Reduction and Analysis Facility) – na Národní optické astronomické observatoři (NOAO)
pro zpracování fotometrických i spektroskopických pozorování
jiné užití IRAFu: např. u AT&T - IRAF pro analýzu počítačových systémů
a grafiku ve fyzice pevných látek
VISAR (Video Image Stabilization and Registration) - stabilizace obrazu videa při pohybu kamery
Uplatnění – aplikace pro stabilizaci obrazu
v mobilních platformách, domácích videích;
robotické systémy, letadla, kosmické lodě,
kriminalistika
Jiné aplikace založené na pozorování hvězd
a modelech hvězdných atmosfér
Příklady užití:
• k odlišení obláčků raketových zplodin od kosmických objektů
• použití v systémech včasného varování
Sluneční clona pro fotonový čítač - umožňuje měření částic světla i během dne, aniž by
bylo zahlceno částicemi přicházejícími ze Slunce
užití: - detekce ultrafialových fotonů z trysek raket
- detekci toxických plynů
Život na Zemi a nebezpečí z kosmu
otázka další existence lidstva
globální vojenský konflikt,
poškození biosféry, klimatické změny
ochrana prostředí přímo na Zemi
• Venuše – skleníkový efekt - povrchová teplota +500 °C, obrovský tlak, mraky s H2SO4 ...
Země - ozónová vrstva – omezování skleníkových plynů, prachových částic příliš pomalé
=> oteplování, mohutné bouře, záplavy, vzestup mořské hladiny
• zdroj čisté energie - jaderná fúze, syntéza 4 atomy H -> atom He - v centru hvězd
• světelné znečištění – vadí to jen hrstce astronomů – omyl!
- narušení biorytmu organismů, => vadí to lidem, živočichům i rostlinám
- plýtvání energií za nemalé peníze
Slunce - životodárné, ale i nebezpečné
Sluneční erupce – vyvržení proudu nabitých částic
1859 Carringtonova událost – geomg. bouře - polární záře i ve velmi malých zeměpisných
šířkách
Moderní doba – pokud zasáhne Zemi proud nabitých částic => vliv na elektronická
zařízení na družicích nebo kosmických stanicích, ale i na Zemi! => nebezpečí pro
astronauty a vše, co využívá družic
na Zemi poruchy spojení, přetížení rozvodní soustavy => výpadky elektrického proudu
1989 kolaps elektrické rozvodné sítě v kanadském Quebecu
2024 slabší geomg. bouře => intenzivní polární záře v Česku na jaře roku 2024
kosmické počasí
Zásah z kosmu - srážka Země s nějakou kometou nebo asteroidem
nutnost objevu možného projektu dostatečně dopředu
2013 Čeljabinsk – nevědělo se o něm před vstupem do atmosféry, následován
dalším tělesem (27 000 km od Země)
1908 Tunguska
Lékařství
V čem jsou si astronomie a lékařství podobné?
potřeba zkoumat bez dotyku - v astronomii – vše moc daleko, v medicíně
nepřístupné uvnitř těla => obě disciplíny vyžadují přesné, detailní
obrázky s vysokým rozlišením
přenos znalostí z astronomie do medicíny - užití metody aperturní syntézy
sir Martin Ryle - průkopník rádiové interferometrie; aperturní syntéza = skládání
signálu z několika antén => výsledek jako bychom pozorovali jen 1 velkou anténou
využití v lékařských diagnostických přístrojích - například počítačové tomografy,
magnetické rezonance, pozitronové emisní tomografie
využití konstrukčních prvků původně pro astronomické přístroje (pozemské i družicové
observatoře vysokých energií) => po malé modifikaci například pro léčbu
nádorových onemocnění – přesné zamíření proudu vysokoenergetických částic na
nádor bez poškození okolní tkáně
Příklady transferu astronomických znalostí do medicíny:
Vyšetření:
• nukleární magnetická rezonance - s nízkou intenzitou magnetického pole pro
skenování lidského těla, zejména mozku
• neinvazivní metoda pro odhalení nádorů (prsu) – díky radioastronomům
• nízkoenergetický rentgenový skener (NASA) – dnes pro ambulantní pacienty
chirurgie, při sportovních úrazech nebo na klinikách třetího světa. Americký Úřad pro
potraviny a léčiva (FDA) s jeho pomocí zkoumal případnou kontaminaci pilulek
• adaptivní optika dalekohledů – užití pro zobrazení sítnice žijících pacientů ke studiu
nemocí jako makulární degenerace a pigmentová retinopatie v jejich raných fázích
• analýza krevních vzorků na leukémii – pomocí zařízení pro automatické skenování
fotografických desek (Cambridge Automatic Plate Measuring Facility) – spolupráce Astronomického
ústavu v britské Cambridge (IAC) a farmaceutickou společností
Přístroje:
• malé tepelné senzory k ovládání teplot u přístrojů připojených k dalekohledům –
ovládání vytápění na neonatologických jednotkách při péči o novorozence
Software:
• klasifikaci nádorových buněk - algoritmy pro klasifikaci hvězd katalogu družice GAIA
• plošný screening Alzheimerovy choroby - software pro zpracování satelitních snímků
(programy AlzTools 3d Slicer)
• astronomický software - IRAF, programovací jazyk IDL (Interactive Data Language)
Čisté prostory – nezbytné pro výrobu astronomických družic,
zejména vesmírných dalekohledů
Vyvinutá zařízení a postupy pro čisté prostory se nyní používají také v nemocnicích
nebo farmaceutických laboratořích
Opačný transfer – z medicíny do astronomie
software vyvinutý původně pro zobrazení lidského mozku => zobrazení zbytků po
výbuchu supernovy; je možné vytvořit 3D mapu materiálu ze supernovy, vytisknout
její 3D model
Lékařství
Technologie
Moderní astronomické přístroje
= technologické výzvy
masivní nasazení CCD a CMOS kamer – největší kamera Vera Rubin Observatory (3.2 Gpx)
– 25 TB/den; zpracování v reálném čase => obrovská kapacita úložiště i výpočetní síla
- => obrovské množství dat => vývoj hardwaru a softwaru
SKA (Square Kilometer Array) - 1 EB/den – milión TB (ekvivaletní
množství jako v internetu na celém světě!) => IBM & vědci
projektu => vývoj 3D DRAM pamětí
zpopularizování myšlenky sdílených výpočtů (tzv. grid computing)
– projekt SETI@home 1999-2020, více než 1.5 mil. uživatelů, přes
200 zemí, ČR 12.; inspirace pro jiné obory
software - jazyk IDL:
o Texaco a BP - analýza vzorků z okolí ropných polí i pro obecný výzkum
o General Motors - analýza dat z havarovaných automobilů
❖ australská společnost Ingenero - sluneční kolektory až do průměru 16 m
s využitím grafitového kompozitního materiálu vyvinutého pro družice
❖ technika pro detekci gravitačních vln => využita pro určení stability podzemních
nádrží na pohonné hmoty
❖ technologie navržená pro zobrazování rentgenových paprsků v rentgenových
dalekohledech => sledování jaderné fúze
❖ rentgenová kontrola (zavazadel) - na letištích - technologie rentgenové observatoře
❖ kontrola zavazadel a testy na drogy a výbušniny - plynový chromatograf původně
navržený pro misi na Mars (určen pro separaci a analýzu sloučenin)
❖ ruční fotometry na kontrolu průhlednosti oken aut – využití policií
❖ neinvazivní kontrola vnitřních struktur staveb/historických objektů - spektrometr
gama záření původně určený k analýze měsíční půdy se používá (např.
pozadí křehkých mozaik v Bazilice svatého Marka v Benátkách)
Technologie
Mezinárodní spolupráce
vědecké a technologické úspěchy => konkurenční výhoda
(v minulosti izolace např. čínská zeď)
dnes – rychlé šíření, patenty, mezinárodní týmy
A jak s tím souvisí astronomie?
velké observatoře – nákladné => potřeba spojit úsilí a prostředky; max. využití observatoře
soustředěny na nejlepších místech (Chile, Havaj, Kanárské ostrovy…)
Evropská jižní observatoř (ESO) od roku 1962 - 16 zemí včetně České republiky.
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) - ESO, americká NRAO (National Radio
Astronomy Observatory), japonská NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan) a Chile
SKA (Square Kilometre Array) - 16 zemí z Evropy, Afriky, Asie a Austrálie
EHT (Event Horizon Telescope) - rádiové observatoře z celého světa
=> 1. snímek supermasivní černé díry v centru galaxie M87
a posléze i v centru naší Galaxie
Astronomie = syntéza krásy a poučení
+ zdroj znalostí a objevů