Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Nowe mapy nieba

obrazek: fot.Andrzej Romański]
fot. Andrzej Romański

Międzynarodowy zespół złożony z ponad 200 astronomów z 18 krajów opublikował dane z pierwszej fazy nowego, wielkiego radiowego przeglądu nieba o niespotykanej dotychczas czułości – realizowanego przy pomocy interferometru LOFAR, The LOw Frequency ARray.

Opublikowane mapy nieba radiowego ukazują setki tysięcy dotychczas nieznanych galaktyk, rzucając nowe światło na wiele problemów współczesnej astrofizyki, takie jak m.in. fizyka czarnych dziur czy ewolucja gromad galaktyk. Nowym rezultatom poświęcone zostało specjalne wydanie czasopisma naukowego Astronomy & Astrophysics, w którym znajduje się dwadzieścia sześć artykułów opisujących nowy przegląd i jego pierwsze rezultaty.

W pracach nad nowym przeglądem uczestniczyły dwie polskie uczelnie: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Nasz toruński zespół (dr hab. Magdalena Kunert-Bajraszewska oraz doktorantka Carole Roskowiński) brał czynny udział w tworzeniu katalogu źródeł radiowych, głównie galaktyk. Analizowaliśmy też pochodzenie emisji radiowej w bardzo rzadkich kwazarach, które charakteryzują się bardzo silnymi wypływami materii z dysku akrecyjnego otaczającego supermasywną czarną dziurę (tzw. kwazary typu BAL – o szerokich liniach absorpcyjnych).

Ale po kolei …

Obserwacje astronomiczne

W zasadzie od samego początku obserwacji astronomicznych astronomowie starali się uporządkować informacje z nich płynące, na przykład grupując obiekty w gwiazdozbiory, układając katalogi obiektów wyróżniających się podobnymi cechami, rysując mapy nieba itp. Na początku były to oczywiście tylko takie obiekty, które zdołali zobaczyć gołym okiem, a potem również takie które można było dostrzec przykładając oko do coraz doskonalszych teleskopów. Współcześnie jednak astronomia obserwacyjna nie ogranicza się tylko do światła widzialnego, na które czułe jest ludzkie oko. Właściwie obecnie oko wykorzystywane jest w obserwacjach rzadko, natomiast głównie służy nam do analizy zebranego materiału obserwacyjnego przed ekranami komputerów. Co więcej, współczesna astronomia dysponuje dzisiaj przyrządami pozwalającymi na prowadzenie obserwacji we wszystkich zakresach promieniowania elektromagnetycznego, którego częścią jest światło widzialne. Można powiedzieć, że nasz Wszechświat ma wiele warstw, albo wiele twarzy, a każda inna. Kosmos obserwowany w zakresie widzialnym jest inny niż ten widoczny na falach radiowych czy w zakresie rentgenowskim. Często te same obiekty astronomiczne mają zupełnie inny wygląd w różnych zakresach widma elektromagnetycznego albo pojawiają się nowe źródła czy procesy, które powodują promieniowanie tylko w danym zakresie częstotliwości.

Niestety atmosfera ziemska zatrzymuje większość promieniowania elektromagnetycznego docierającego do nas z kosmosu. Dlatego też obserwacje astronomiczne w zakresie promieniowania gamma, rentgenowskiego, ultrafioletowego i podczerwonego prowadzone są na szerszą skalę z pokładów sztucznych satelitów, czyli spoza atmosfery. Natomiast tzw. „ziemskie” obserwacje astronomiczne możemy prowadzić we wspomnianym już zakresie widzialnym (optycznym) oraz radiowym. Atmosfera ziemska nie zatrzymuje fal radiowych ani ich nie rozprasza. Co więcej obserwacje radioastronomiczne możemy prowadzić nawet przy pochmurnym niebie i w ciągu dnia.

Krótka historia radioastronomii

Radioastronomia narodziła się w 1931 roku, kiedy to młody amerykański inżynier Karl Jansky odkrył pozaziemskie promieniowanie radiowe pochodzące z naszej galaktyki Drogi Mlecznej. Jansky pracował dla firmy telekomunikacyjnej Bell Telephone Laboratory i dokonał swojego odkrycia, poszukując źródła zakłóceń w naziemnych i podmorskich kablach telefonicznych. Wyniki prac Janskiego, które The New York Times opisał na pierwszej stronie 5 maja 1933 roku, zainspirowały inżyniera elektronika i amatora astronomii Grote’a Rebera. W ciągu następnych kilku lat zbudował on w swoim ogródku paraboliczną antenę i za jej pomocą opracował pierwszą mapę radiową nieba na długości fali ok. dwóch metrów (160 MHz). Karl Jansky po dokonaniu swojego odkrycia nie kontynuował już prac badawczych nad promieniowaniem radiowym. Grot Reber natomiast opublikował swoje obserwacje w czasopiśmie Astrophysical Journal w 1940 i 1944 co uważa się za początek radioastronomii. Jednak jej gwałtowny rozwój, który trwa do chwili obecnej, rozpoczął się po drugiej wojnie światowej i jest związany z wynalazkiem o nazwie radar, który bardzo dobrze znamy z naszych ulic, a który nie zawsze dobrze nam się kojarzy.

Radar to urządzenie, które wysyła i odbiera promieniowanie radiowe i pozwala nam wykryć obiekt oraz określić jego położenie i prędkość. Radary były tworzone i udoskonalane podczas drugiej wojny światowej po obu stronach barykady i w przypadku obrony Anglii oddały nieocenione usługi w wykrywaniu formacji niemieckich bombowców. Do pracy nad radarami i szkoleniem operatorów wojskowych w posługiwaniu się nimi armia angielska werbowała fizyków. Jednym z nich był James Stanley Hey, który, jak się później okazało, najlepiej ocenił korzyści, jakie mogło przynieść zastosowanie wojskowego sprzętu radarowego w astronomii. W lutym 1942 roku operatorzy radarów Heya zameldowali o nasilonym zagłuszaniu radarów w ciągu dnia, które całkowicie wytłumiło sygnały angielskich radarów artylerii przeciwlotniczej działających na falach 4-8 m. Anglicy spodziewali się niemieckiego nalotu, ale ten nie nastąpił. Hey był naukowcem, zaczął więc badać charakterystykę zagłuszania i zauważył, że kierunek najsilniejszego tłumienia sygnału zmienia się wraz ze zmianą położenia Słońca. Podczas konsultacji z obserwatorium w Greenwich, Hey dowiedział się o dużych plamach na Słońcu, jakie ostatnio się pojawiły i doszedł do wniosku, że to aktywność Słońca zagłuszyła radary ! Hey doszedł też do wniosku, że nie tylko aktywność słoneczną, ale także meteory, a nawet promieniowanie kosmiczne można by było obserwować w paśmie radiowym. Dokonał tego w 1945 roku, tuż przed końcem wojny. Za pomocą zmodyfikowanych radarów z dwóch niepotrzebnych stacji wykrywania V-2 udało mu się zarejestrować emisję radiową z meteorów wpadających w jonosferę. Potem, już po wojnie, w ślad za Reberem Hey szybko opracował własną, szczegółową mapę kosmosu w zakresie fal o większej długości.

Odkrycia Heya zainspirowały wielu fizyków, którzy w czasie wojny pracowali z radarami. Po wojnie ci doskonale wyszkoleni w technice radiowej i radarowej ludzie, korzystając z niepotrzebnego już wojsku sprzętu, zaczęli obserwacje nieba na falach radiowych i stali się radioastronomami. Należeli do nich m.in. Bernard Lovell oraz Martin Ryle, którzy pozostali w Anglii oraz Taffy Bowen, który wyjechał do Australii, aby tam stworzyć swoją radioastronomiczną grupę. Bernard Lovell stworzył istniejące do dziś Obserwatorium Jodrell Bank oraz skonstruował jeden z największych na świecie sterowalnych radioteleskopów o średnicy 76 m, który nosi jego imię. Pracował m.in. nad obserwacjami echa radarowego od dziennych meteorów, które wpadając w ziemską atmosferę jonizują otaczające powietrze. Martin Ryle natomiast wpadł na pomysł budowy interferometru radiowego, który, jak się później dowiedział, był bardzo podobny do interferometru optycznego, jaki w pierwszych latach XX wieku zbudował A. Michelson. Ryle dostał od swojego ówczesnego szefa zadanie, aby sprawdzić doniesienia Heya o tym, że to plamy na Słońcu są źródłem promieniowania radiowego. Doszedł do wniosku, że aby to zrobić musi znacznie zwiększyć rozdzielczość obserwacji i zbudować antenę o średnicy 150 metrów. Było to niewykonalne. Ryle wymyślił więc coś innego. Połączył kablami dwie małe anteny ze wspólnym odbiornikiem i uzyskał zdolność rozdzielczą ogromnej anteny o średnicy równej odległości dzielącej obie małe anteny. W ten sposób stworzył podwaliny nowej techniki obserwacyjnej zwanej interferometrią radiową, którą potem ulepszał i dzięki której jego grupa astronomów dokonała wielu pionierskich odkryć m.in. galaktyk radiowych i kwazarów. Martin Ryle za odkrycie nowej techniki obserwacyjnej otrzymał w 1974 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Była to pierwsza nagroda przyznana w uznaniu zasług w badaniach astronomicznych.

Co ciekawe, ani w Ameryce ani w Europie tzw. „tradycyjni astronomowie” początkowo nie zainteresowali się techniką radiową i radarową jako potencjalną metodą obserwacji astronomicznych. Jednak Bernard Lovell, który postanowił przedstawić wyniki swoich obserwacji radiowych na posiedzeniu Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego tak je wspomina:

Na początku spotkania, w piątek po południu, byliśmy dla astronomów natrętami, obcymi wciskającymi się do szacownego grona. Gdy pokazaliśmy swoje przezrocza, ich stosunek się zmienił. Członkowie towarzystwa zaczęli rozumieć, że jest to nowa technika astronomiczna, a pod koniec spotkania byliśmy już częścią astronomicznej społeczności.”

Z czasem przybywa „nowych astronomów”, a kolejne ośrodki astronomiczne zaczynają rozmyślać nad prowadzeniem obserwacji w zakresie radiowym, m.in. w Holandii i Australii. Powstają nowe radioteleskopy, które łączą się w sieci, aby wspólnie uzyskiwać mapy obiektów i całego nieba o wysokiej rozdzielczości. 32-metrowy radioteleskop w Piwnicach, należący do Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, również takie obserwacje prowadzi zarówno samodzielnie, jak i będąc członkiem europejskiej sieci radioteleskopów (European VLBI network – EVN). I chociaż początki radioastronomii pokazują, że pierwszych obserwacji dokonywano na niskich częstotliwościach radiowych (np. obserwacje Rebera na 160 MHz), to bardzo szybko radioastronomia została zdominowana przez obserwacje na częstotliwościach powyżej 1 GHz. Jest to związane z tym, że zdolność widzenia szczegółów na mapach radiowych zwiększa się wraz z częstotliwością. Pozwala to zobaczyć szczegółową strukturę kwazarów i galaktyk i zbliżyć się do czarnej dziury. Zaniedbano więc trochę niskie częstotliwości radiowe, które przy niezbyt dużej czułości, jaką oferowały istniejące do tej pory urządzenia, były mniej atrakcyjne. Tymczasem coraz większa grupa astronomów zaczęła sugerować, że obiekty kosmiczne, które widzimy na wyższych częstotliwościach radiowych to zaledwie czubek góry lodowej. Są to bowiem te najjaśniejsze, najbardziej energetyczne źródła, czyli największe supermasywne czarne dziury, które są w stanie promieniować na wyższych częstotliwościach. Natomiast cała ogromna populacja słabszych źródeł radiowych jest dla nas w dalszym ciągu niewidoczna i czeka na odkrycie. Są to obiekty, w których centrach znajdują się mniej masywne czarne dziury lub po prostu galaktyki, których aktywność radiowa już wygasła i pozostały po nich tylko szczątki promieniowania mówiące o dawnej świetności. I wreszcie, wielu astronomów podejrzewa, że większość galaktyk istniejąca w naszym Wszechświecie „zapala” aktywność radiową na bardzo krótki okres czasu w skali astronomicznej, czyli na ok. 10 000 lat. Są to tzw. obiekty krótkożyjące o stosunkowo małej mocy i bardzo czułe obserwacje na niskich częstotliwościach, które właśnie rozpoczęliśmy, pozwolą nam je odkrywać masowo.

Era LOFAR-a

LOFAR (ang. The LOw Frequency Array) to sieć radioteleskopów na niskie częstotliwości, która została zaprojektowana, zbudowana i jest zarządzana przez Holenderski Instytut Radioastronomii – ASTRON. Obecnie LOFAR składa się z 38 stacji rozmieszczonych na dużym obszarze w centrum Holandii, koło miejscowości Exloo, jak również w holenderskich prowincjach Groningen i Friesland (Rysunek 1). Dwanaście stacji znajduje się również w innych krajach europejskich. Najwięcej w Niemczech (6) oraz w Polsce (3): w okolicach Krakowa (Łazy, Uniwersytet Jagielloński), w okolicach Olsztyna (Bałdy, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski) i w okolicach Poznania (Borówiec, Centrum Badań Kosmicznych PAN). W celu budowy polskiej części LOFAR-a powołane zostało Polskie Konsorcjum pod nazwą POLFAR w skład którego wchodzą: Uniwersytet Jagielloński (koordynator), Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Uniwersytet Zielonogórski, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN, Uniwersytet w Szczecinie, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu oraz Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe w Poznaniu.

Radioteleskopy sieci LOFAR nazywane są stacjami lub polami, ponieważ zupełnie nie przypominają tradycyjnych anten radiowych. Są to w rzeczywistości matryce czujników dwóch typów, innych dla obserwacji niskopasmowych 10-90 MHz oraz innych dla obserwacji na nieco wyższych częstotliwościach w zakresie od 110 do 250 MHz. LOFAR obserwuje w ten sposób, że sygnały przychodzące z ponad 100 000 pojedynczych dipoli antenowych (czujników) przesyłane są do centralnego cyfrowego procesora, który, wykorzystując odpowiednie oprogramowanie, łączy je, tworząc obraz tak jakby pochodził z ogromnej tradycyjnej anteny radiowej o średnicy 1300 km. Kolejną ważną cechą LOFAR-a jest jego ogromna czułość i zdolność do tworzenia wysoce szczegółowych map nieba, mimo obserwacji na niskich częstotliwościach, Obecnie żaden inny radioteleskop na świecie obserwujący na niskich częstotliwościach nie może pochwalić się takimi parametrami. Jednak tworzenie niskoczęstotliwościowych map nieba wymaga dużych ilości czasu – zarówno obserwacyjnego, jak i obliczeniowego – oraz pracy dużych zespołów, analizujących dane. LOFAR w trakcie jednego cyklu obserwacji generuje olbrzymie ilości danych, co jest równoważne przetwarzaniu dziesięciu milionów płyt DVD z danymi. Dlatego też archiwum danych z LOFAR-a jest największym zbiorem obserwacji astronomicznych na świecie, rozdysponowanym między SURFsara (Holandia), Forschungszentrum Jülich (Niemcy) i Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym (Polska).

W ramach pierwszej części nowego przeglądu nieba, LOFAR obserwował czwartą część północnej półkuli niebieskiej – na niskich częstotliwościach radiowych (poniżej 250 MHz; fale o długości ponad metra). Międzynarodowy zespół astronomów, podzielony na kilka grup, najpierw dokonał przetworzenia sygnału na mapy radiowe, a następnie analizując je fragment po fragmencie, dokonał optycznej identyfikacji tysięcy zaobserwowanych źródeł. Taka identyfikacja wymaga doświadczenia w rozpoznawaniu struktur radiowych i polega na tym, aby zaobserwowanej emisji radiowej przypisać emisje w zakresie optycznym, o której mamy informacje z innych obserwacji. To z kolei pozwala oszacować rozmiary liniowe nowo odkrytych galaktyk radiowych oraz odległości od Ziemi, w jakich się znajdują. Wszystkie te dane zebrane zostały w postaci katalogów i są ogólnie dostępne zarówno dla społeczności astronomicznej, jak i dla każdego zainteresowanego. Niewątpliwie jednak korzystanie z nich wymaga pewnej umiejętności w „czytaniu” obserwacji radiowych, gdyż nie przypominają one kartek z atlasu nieba, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Przykład takiej „wielowarstwowej” informacji pochodzącej z obserwacji z różnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego przedstawiony jest na Rysunku 2. Każdy zakres przedstawia nam informacje z innych obszarów gromady galaktyk i mówi o innych procesach fizycznych, które je powodują. Kolejnym krokiem jest już bardziej szczegółowa analiza takiej emisji pochodzącej od różnych typów obiektów znajdujących się w gromadzie. Na dziś możemy już powiedzieć, że takich galaktyk, które do tej pory nie zostały zaobserwowane w żadnym z poprzednich przeglądów nieba, są dziesiątki tysięcy, a jest to zaledwie około dziesięciu procent zebranych danych. Sygnały radiowe pochodzące od tych obiektów potrzebowały miliardów lat, by dotrzeć do Ziemi. Pierwsze wstępne analizy danych z LOFAR-a dotyczyły również ewolucji galaktyk, gromad galaktyk i tworzenia się pól magnetycznych. Każde kolejne obserwacje poszerzają naszą bazę danych i pozwolą w przyszłości lepiej zrozumieć procesy zachodzące we Wszechświecie.

W tekście wykorzystano materiały pochodzące z następujących źródeł:

– informacje internetowe i prasowe instytutu ASTRON;

– książka pt. „Radar”, autor Robert Buderi;

– książka pt. „Low Frequency Radio Astronomy and the LOFAR Observatory”, autor: George Heald, John McKean, Roberto Pizzo.

Dr hab. Magdalena Kunert-Bajraszewska – Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

pozostałe wiadomości

galeria zdjęć

Rys. 1: Centralne skupisko stacji LOFARa, Exloo, Holandia [fot.Astron] Rys. 2: Gromada galaktyk Abell 1314 znajduje się około 460 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy. Wielkoskalowa emisja radiowa widoczna na ilustracji powstała w wyniku zderzenia z inną gromadą. Kolory czerwony i różowy ilustrują nietermiczną emisję radiową wykrytą przez LOFAR-a, a szare – termiczne promieniowanie rentgenowskie, zarejestrowane przez Kosmiczne Obserwatorium Chandra; struktury te naniesione zostały na mapę optyczną [fot.Amanda Wilber/LOFAR Surveys Team/NASA/CXC]