Zvířetníkové světlo a protisvit: Sluneční paprsky rozptýlené na meziplanetárním prachu v jarním a podzimním soumraku

Zvířetníkové světlo vytvářející výrazný zářící kužel rozptýleného slunečního svitu nad kopulemi observatoře La Silla v Chile. Kredit: ESO / Y. Beletsky

Když se ocitnete v lokalitě s dokonale tmavou noční oblohou – v chilské poušti Atacama, na vysokohorských vrcholech Kanárských ostrovů nebo v nejodlehlejších koutech našich pohraničních hor – můžete po odeznění večerního astronomického soumraku zažít působivý optický klam. Nad západním obzorem se zvedá mohutný, stříbřitě zářící kužel trojúhelníkového tvaru. Na první pohled připomíná záři vzdáleného velkoměsta nebo předzvěst ranního rozbřesku. Už staří perští hvězdáři a básníci, včetně polyhistora Omara Chajjáma, nazývali tento záhadný nebeský jev „Falešným úsvitem“ (Subh-i-Kazib).

V moderní astronomii nese tento úkaz název zvířetníkové světlo (zodiakální světlo neboli Zodiacal Light). Nejedná se o proces v zemské atmosféře, jakým je polární záře či noční záření vzduchu (airglow), nýbrž o přímý vizuální důkaz, že meziplanetární prostor Sluneční soustavy není prázdným vakuem. Je vyplněn gigantickým čočkovitým oblakem meziplanetárního prachu, který v rovině oběhu planet rozptyluje sluneční paprsky do okolního kosmu.

Fyzika rozptylu: Meziplanetární prachový oblak v rovině ekliptiky

Zvířetníkové světlo představuje sluneční záření rozptýlené na nesčetných mikrometeoroidních částicích, které obíhají kolem Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii → v disku kopírujícím rovinu ekliptiky – tedy hlavní oběžnou rovinu velkých planet naší soustavy (odtud název „zvířetníkové“, neboť ekliptika na pozadí prochází zvířetníkovými souhvězdími).

Fyzikální vlastnosti prachového mračna

• Rozměry zrn: Prachové částice mají velikost typicky mezi 10 a 300 mikrometry (odpovídají jemnému prachu až jemnému písku).
• Mieův rozptyl světla: Vzhledem k tomu, že velikost prachových zrn je srovnatelná s vlnovou délkou viditelného světla nebo větší, podléhá interakce fotonů se zrny zákonitostem Mieova rozptylu. Tento optický jev se vyznačuje silnou směrovou asymetrií: fotony jsou rozptylovány převážně pod malými fázovými úhly ve směru dopadu (dopředný rozptyl). Právě proto dosahuje zvířetníkové světlo nejvyšší plošné jasnosti v blízkosti Slunce a s rostoucí úhlovou vzdáleností (elongací) postupně slábne.
• Barevná neutralita: Spektrální rozbor zvířetníkového světla ukazuje, že jeho spektrum je téměř přesnou kopií spektra slunečního záření, s mírným zčervenáním způsobeným optickými vlastnostmi tmavých uhlíkatých a křemičitanových fází prachu.

Poyntingův-Robertsonův jev: Proč prach nezmizí?

Záření meziplanetárního prachu naráží na zásadní relativistický mechanismus: Poyntingův-Robertsonův efekt (P-R efekt). Sluneční fotony vyvíjejí na obíhající prachová zrnka radiační tlak. Z pohledu pohybujícího se prachového zrna však sluneční paprsky v důsledku aberace přicházejí mírně zepředu. Tato brzdná síla neustále odčerpává orbitální energii zrna, které po pozvolné spirále padá směrem ke Slunci.

Částice o velikosti několika desítek mikrometrů spiráluje do nitra soustavy během pouhých 10⁵ až 10⁶ let (sto tisíc až milion let), kde se v blízkosti sluneční koróny zcela odpaří. Celková hmotnost prachového disku se odhaduje na 10¹⁶ až 10¹⁷ kilogramů (což odpovídá hmotnosti asteroidu o průměru 20 až 30 kilometrů). Aby prachové mračno existovalo i po 4,5 miliardách let od vzniku Sluneční soustavy, musí být nepřetržitě doplňováno novými zdroji.

Poznámka: Jednotka S₁₀ vyjadřuje ekvivalentní jasnost jedné hvězdy 10. vizuální magnitudy rozprostřené na ploše jednoho čtverečního stupně.

Odkud prach pochází? Kometární sublimace a objev sondy Juno

Dlouhá léta se vědci přeli o to, jaký je hlavní zdroj meziplanetárního prachového mračna. Klasické modely předpokládaly dva hlavní rezervoáry: vzájemné kolize těles v hlavním pásu asteroidů mezi Marsem a Jupiterem a uvolňování prachu při sublimaci jader komet.

Dynamické simulace, které publikoval český astrofyzik David Nesvorný působící v Southwest Research Institute v Coloradu, v roce 2010 ukázaly, že až 85 % prachu ve zvířetníkovém oblaku pochází z rozpadu komet Jupiterovy rodiny (JFC). Tyto komety obíhají blízko roviny ekliptiky s periodami do 20 let a při opakovaných průchodech periheliem ztrácejí obrovské objemy prachu.

Překvapivá data sondy Juno: Stopa marsovských bouří

V roce 2021 však přinesla sonda NASA Juno, mířící k Jupiteru, zcela nečekaný zvrat. Její sledovače hvězd (star trackers) zaznamenaly během přeletu mezi Zemí a pásem asteroidů desítky tisíc nárazů mikroskopických částic, které z optiky vyrážely mikroskopické úlomky:

• Přístroje sondy fungovaly jako gigantický detektor prachu o ploše desítek metrů čtverečních (díky rozsáhlým solárním panelům).
• Výsledná prostorová distribuce neodpovídala hlavnímu pásu asteroidů, nýbrž vykazovala ostrý vrchol přesně v orbitální zóně planety Mars🪐 AstroWiki EncyklopedieMarsMars je čtvrtá planeta od Slunce, známá jako Rudá planeta díky oxidům železa, svět obřích vulkánů (Olympus Mons) a kaňonů (Valles Marineris)...Otevřít heslo v encyklopedii →.
• Vědci z dánské technické univerzity DTU a NASA dospěli k závěru, že významný příspěvek do vnitřní části zvířetníkového oblaku mohou dodávat gigantické prachové bouře na Marsu. V době, kdy prach zahalí celou planetu, dokáží nejjemnější prachové částice díky slunečnímu ohřevu a nízké gravitaci unikat z řídké atmosféry do okolního prostoru.

Protisvit (Gegenschein): Zpětný odraz v antisolárním bodě

Pokud sledujeme zvířetníkové světlo od západního obzoru podél ekliptiky přes celé nebe, zužuje se do nepatrného zvířetníkového pásu (Zodiacal Band). Přesně naproti Slunci však nastává další unikátní nebeský fenomén: protisvit (Gegenschein).

Tento jev, který v roce 1854 vědecky popsal dánský astronom Theodor Brorsen na observatoři v Žamberku v Čechách, představuje velmi slabou difuzní zářící elipsu o rozměrech zhruba 10° × 15° ležící přesně v antisolárním bodě (180° od okamžité polohy Slunce):

• Fyzika retroreflexe: Prachové částice ležící přímo proti Slunci jsou z pohledu pozemského pozorovatele osvětleny s nulovým fázovým úhlem (α ≈ 0°).
• Eliminace stínů: Dochází k fenoménu zvanému shadow hiding – nepravidelná mikroskopická zrnka prachu vrhají stíny přesně za sebe, takže pozorovatel vidí pouze stoprocentně osvětlené povrchy částic.
• Koherentní zpětný rozptyl: K tomu se přidává vlnový interferenční jev (Coherent Backscatter Opposition Effect), který způsobuje skokové zesílení rozptýleného světla ve směru přesně opačném ke zdroji záření.

Protisvit má extrémně nízkou plošnou jasnost. Jakékoliv umělé světelné znečištění, měsíční svit nebo přítomnost jasných planet v daném poli jej spolehlivě vymaže. Jeho spatření pouhým okem je považováno za nejvyšší důkaz kvality tmavé oblohy odpovídající stupni 1 až 2 na Bortleově stupnici.

Kdy a jak úkazy sledovat: Jarní a podzimní geometrie

Aby bylo zvířetníkové světlo dobře pozorovatelné, musí rovina ekliptiky svírat s místním obzorem co nejstrmější úhel. Pokud by se táhla nízko nad obzorem, zanikne slabé světlo v hustých přízemních vrstvách atmosféry a světelném smogu měst:

1. Jarní večery (únor až duben): V našich země🪐 AstroWiki EncyklopedieZeměZemě je třetí planeta od Slunce, jediný známý svět hostící život, s aktivní deskovou tektonikou, tekutým vodním oceánem pokrývajícím 71 % po...Otevřít heslo v encyklopedii →pisných šířkách stoupá ekliptika nejstrměji po západu Slunce na přelomu zimy a jara. Zhruba 90 minut po západu Slunce, po odeznění astronomického soumraku, vystupuje ze západního obzoru monumentální stříbřitý kužel světla procházející souhvězdími Ryb, Berana a Býka a sahající až k hvězdokupě Plejády.
2. Podzimní rána (září až listopad): Na podzim se situace obrací. Ekliptika svírá strmý úhel s východním obzorem v ranních hodinách. Zvířetníkové světlo lze sledovat zhruba dvě hodiny před východem Slunce na východní obloze v souhvězdích Raka a Lva.
3. Zimní protisvit: Protisvit se hledá nejlépe kolem půlnoci v zimních měsíc🪐 AstroWiki EncyklopedieMěsícMěsíc je jediný přirozený satelit Země, pátý největší měsíc Sluneční soustavy, těleso vzniklé obřím impaktem protoplanety Theia a dosud jedi...Otevřít heslo v encyklopedii →ích (listopad až leden), kdy antisolární bod leží vysoko nad jižním obzorem v bezhvězdných partiích Berana či Býka, daleko od jasného pásu Mléčné dráhy.

„Zvířetníkové světlo a protisvit jsou fascinující připomínkou naší polohy v kosmu. Když se díváte do tohoto stříbřitého kužele, nepozorujete vzdálenou cizí galaxii, nýbrž primordiální stavební prach naší vlastní Sluneční soustavy, který se zde vznáší od doby, kdy se z pracho-plynného disku před čtyřmi a půl miliardami let rodila Země,“ podotýká David Pěkník.

Pozorování tohoto prastarého slunečního prachu v sobě spojuje ryzí estetický zážitek nedotčené přírody s pochopením fundamentální meziplanetární mechaniky.

Reference

[1] Leinert, C., Bowyer, S., Haikala, L. K., et al. (1998). The 1997 Reference of Diffuse Night Sky Brightness. Astronomy & Astrophysics Supplement Series, 127(1), 1–99. DOI: 10.1051/aas:1998105.
[2] Nesvorný, D., Jenniskens, P., Levison, H. F., & Bottke, W. F. (2010). Cometary Origin of the Zodiacal Cloud and Carbonaceous Micrometeorites: Implications for Hot Debris Disks. The Astrophysical Journal, 713(2), 816–836.
[3] Jørgensen, J. L., Benn, M., Connerney, J. E. P., et al. (2021). Distribution of Interplanetary Dust Detected by the Juno Spacecraft and Its Contribution to the Zodiacal Light. Journal of Geophysical Research: Planets, 126(3), e2020JE006509.
[4] Hapke, B. (2012). Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy (2nd ed.). Cambridge University Press, Cambridge. ISBN: 978-0521883498.
[5] Brorsen, T. (1854). Ueber den Gegenschein des Zodiakallichts. Astronomische Nachrichten, 39(16), 249–250.
[6] Bortle, J. E. (2001). Introducing the Bortle Dark-Sky Scale. Sky & Telescope, 101(2), 126–129.