Hollywood nás naučil věřit, že technologie nemá hranice. Že když budeme mít dostatečně drahý satelit a dostatečně výkonný počítač, můžeme "zoomovat" donekonečna. Jenže realita naráží na něco, co žádný rozpočet Pentagonu nepřeplatí – na zákony fyziky. Existuje totiž neviditelná zeď, přes kterou, jak se lidově říká, "vlak nejede". Pojďme se podívat na to, proč vesmír (a špioni) nevidí všechno a jak vlastně funguje magie zvaná optika.

Optika pro začátečníky: Zapomeňte na zvětšení, hledejte světlo

Když si laik vybírá svůj první dalekohled, často se ptá: "A jaké to má zvětšení?" Na krabicích levných teleskopů v supermarketech pak vidíte křiklavé nápisy "500x ZOOM!". Pokud takový dalekohled uvidíte, utíkejte pryč. Je to past.

Zvětšení je totiž v optice až druhotná veličina. Dalekohled není primárně "zvětšovací stroj", ale "sběrný kbelík na světlo" (fotony). Představte si déšť. Vaše oko (respektive zornička ve tmě) je jako malý náprstek. Nachytá jen pár kapek deště (světla) – proto vidíme hvězdy jen jako slabé tečky. Dalekohled je oproti tomu široký sud. Nachytá miliony kapek a pak je všechny soustředí do jednoho malého bodu, který pošle do vašeho oka.

Klíčovým parametrem každé optické soustavy tedy není zvětšení, ale průměr objektivu. Čím větší průměr (apertura), tím více světla získáte a tím jemnější detaily uvidíte. Pokud "napálíte" zvětšení 500x na malý objektiv, dostanete jen velkou, tmavou a rozmazanou šmouhu. Je to, jako byste vzali malou fotku z pasu a roztáhli ji na billboard – neuvidíte více detailů, jen velké kostičky.

(Člověk si v supermarketu prohlíží krabici levného dalekohledu s křiklavým nápisem "500x ZOOM!".)

Souboj titánů: Proč zrcadla vyhrála nad čočkami

Historie dobývání oblohy je soubojem dvou technologií: čoček (refraktorů) a zrcadel (reflektorů).

První byl Galileo Galilei. Jeho dalekohled byl v podstatě dvě čočky v trubce – systém, který známe jako "kukátko" nebo divadelní kukátko. Funguje to, ale má to háček. Sklo je těžké. Když chcete velký dalekohled, potřebujete velkou čočku. A velká čočka váží tuny. Navíc ji můžete držet jen za okraje (jinak byste si zakryli výhled), takže se vlastní vahou deformuje. A aby toho nebylo málo, sklo láme každou barvu světla trochu jinak (hranol), takže jasné objekty mají kolem sebe duhové okraje (chromatická aberace).

Pak přišel Isaac Newton a změnil pravidla hry. Uvědomil si, že světlo nemusí procházet skrz sklo, ale může se odrazit. Vymyslel zrcadlový dalekohled.

Výhody byly drtivé:

• Zrcadlo může být podepřené po celé zadní ploše (nedeformuje se).
• Světlo neprochází skrz, takže nevzniká barevná vada.
• Je mnohem levnější na výrobu.

Proto jsou dnes všechny "velké oči lidstva" – od Hubbleova teleskopu, přes Webbův teleskop, až po obří pozemní observatoře – zrcadlové. Čočky zůstaly doménou menších přístrojů a fotografických objektivů.

(Vesmírný teleskop Jamese Webba)

Nepřítel číslo jedna: Difrakční limit (Když fyzika řekne DOST)

Vraťme se k našemu špionovi, který si chce z vesmíru přečíst noviny. Proč to nejde, i kdyby měl ten nejlepší dalekohled na světě?

Světlo se chová jako vlna. Když tato vlna prochází kruhovým otvorem (objektivem dalekohledu), začne se na okrajích ohybat (difrakce) a vzájemně se rušit. Představte si to jako vlny na rybníce, které projdou úzkou brankou v hrázi – za brankou se nerozšíří rovně, ale vytvoří vějíř.

(Ilustrace světelné vlny procházející kruhovým otvorem, tvořící difrakční vzor a vzdálený, mírně rozmazaný Airyho disk.)

Kvůli tomuto jevu se bod (hvězda nebo písmeno na novinách) nikdy nezobrazí jako dokonalý bod, ale jako malý rozmazaný kroužek (tzv. Airyho disk). Čím menší je průměr dalekohledu, tím větší je tento rozmazaný kroužek.

A tady je ten kámen úrazu. Špionážní satelity (např. americká třída Keyhole) obíhají asi 300–400 km nad Zemí a mají zrcadla podobná Hubbleovu teleskopu (cca 2,4 metru). Fyzika je neúprosná: s takovým zrcadlem je na tuto vzdálenost maximální teoretické rozlišení zhruba 10 až 15 centimetrů.

Co to znamená?

• Vidíte auto? Ano.
• Poznáte typ auta? Pravděpodobně ano.
• Vidíte člověka? Ano, jako šmouhu.
• Poznáte, jestli má brýle? Ne.
• Přečtete si noviny? Ani náhodou. Písmenka v novinách mají milimetry. Abychom je viděli z vesmíru, museli bychom na oběžnou dráhu vynést zrcadlo o průměru několika set metrů. A to zatím neumíme.

Nepřítel číslo dva: Vzduch, který dýcháme

Pro pozemní astronomy je situace ještě složitější. I když postaví obří zrcadlo (jako je budovaný ELT v Chile s průměrem 39 metrů), musí se dívat přes "bazén" vzduchu nad námi.

Atmosféra není klidná. Míchá se v ní teplý a studený vzduch, proudí v ní větry. To způsobuje, že se světlo láme na všechny strany. Právě proto hvězdy na obloze blikají a třpytí se. Pro romantika je to krásné, pro astronoma je to noční můra. Obraz je rozmazaný, jako byste se dívali přes horký vzduch nad rozpálenou silnicí nebo grilem.

Jak to řešíme? Technologie zvaná Adaptivní optika, kterou používá například VLT (Very Large Telescope) v Chile. Je to skoro sci-fi. Astronomové vystřelí do atmosféry silný laser, který vytvoří "umělou hvězdu". Počítač sleduje, jak se tato umělá hvězda chvěje, a tisíckrát za sekundu posílá pokyny malým pístům pod hlavním zrcadlem. Tyto písty deformují zrcadlo v reálném čase tak, aby přesně vyrušily chvění atmosféry. Výsledek? Z rozmazané koule se najednou stane ostrá planeta. Je to jako nasadit dalekohledu brýle, které se mění každou milisekundu.

Krátká odbočka do mikrosvěta

Zajímavé je, že stejný fyzikální zákon, který nám brání vidět noviny z vesmíru, nám brání vidět atomy v mikroskopu. I optický mikroskop má svůj "difrakční limit". Vlna viditelného světla je prostě příliš "tlustá" a hrubá na to, aby vykreslila něco tak mrňavého, jako je virus nebo atom. Pokud chceme vidět hlouběji, musíme zahodit světlo a použít elektrony (elektronový mikroskop), které mají vlnovou délku mnohem kratší. Fyzika platí nahoře i dole stejně.

(Infografika s možnostmi přiblížení)

Vesmír bez iluzí

Možná jste teď trochu zklamaní. Špioni nám nekoukají do talíře s polévkou a s levným dalekohledem neuvidíme americkou vlajku na Měsíci (ta je tak malá, že by ji neviděl ani ten největší teleskop na Zemi).

Ale není právě tohle na vědě fascinující? Že dokážeme spočítat limity přírody a pak vymyslet neuvěřitelně chytré způsoby, jak se jim přiblížit na dosah ruky? Hollywood nám sice lže o nekonečném zoomu, ale realita – obří zrcadla v poušti, která se vlní jako voda, aby porazila atmosféru, nebo teleskopy zaparkované milion kilometrů od Země – je mnohem epičtější příběh.

Zkuste se dnes večer podívat na oblohu. Všimněte si, jak hvězdy nízko nad obzorem blikají víc než ty nad hlavou. To se právě díváte na ten neklidný oceán vzduchu, na dně kterého všichni žijeme.