Radioastronomia to dziedzina badań kosmosu, która pozwala nam obserwować najciekawsze obiekty i zjawiska wszechświata. Dzięki radioastronomii odkryliśmy i poznaliśmy kwazary, pulsary albo kosmiczne masery. Tej gałęzi astronomii zawdzięczamy też odkrycie pierwszych planet pozasłonecznych. Od kilkunastu lat techniki obserwacyjne fal radiowych wkraczają w zupełnie nowy obszar instrumentalny, gdzie wielkie czasze teleskopów zastępuje się wielką liczbą małych, sprzężonych ze sobą prostych anten. W takim podejściu kluczową rolę odgrywają cyfrowe technologie informatyczne i sieć Internet.
AUTORZY:
Leszek Błaszkiewicz, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie/ Wydział Geoinżynierii/Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego
Andrzej Krankowski, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie/ Wydział Geoinżynierii/Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego
W latach, gdy Albert Einstein był już uznanym fizykiem ze swoją Ogólną Teorią Względności, a na szczycie Mount Willson w Kalifornii Edwin Hubble, przy pomocy stucalowego teleskopu optycznego, dokonywał swych pomiarów odległości do galaktyk i odkrywał ich ucieczkę, trwały intensywne prace nad doskonaleniem technik przekazu informacji na falach radiowych. Przełom nastąpił w 1931 roku, gdy Karl Jansky w trakcie badań prowadzonych dla Bell Telephone Laboratories odkrył, a później opisał, promieniowanie radiowe Drogi Mlecznej. Zdarzenie to jest uznawane za początek radioastronomii.
Jeszcze przed II wojną światową inżynier Grote Roeber prowadził pierwsze eksperymenty z antenami kierunkowymi o klasycznym kształcie czaszy (jak np. antena satelitarna), ale rozkwit radioastronomii nastąpił dopiero pod koniec lat 40. i później. Dzięki rozwojowi elektroniki tworzono coraz lepsze odbiorniki, które instalowano przy coraz większych gabarytowo instrumentach, co pozwalało na obserwacje słabszych źródeł promieniowania radiowego. Jednak czułość, która jest zależna od powierzchni głównego zwierciadła radioteleskopu, to nie wszystko. Ważna jest też rozdzielczość instrumentu, którą determinuje jego średnica. Niestety, ważne jest też jakie fale elektromagnetyczne obserwujemy. Przy tej samej średnicy teleskopu zdolność rozdzielcza podczas obserwacji fal radiowych jest zdecydowanie mniejsza niż dla obserwacji w zakresie światła. Dlatego nawet największe radioteleskopy mają ten parametr gorszy od małych amatorskich teleskopów optycznych.
Interferometria radiowa
Na szczęście radioastronomowie poradzili sobie z problemem niskiej zdolności rozdzielczej instrumentów. Sir Martin Ryle jako pierwszy przeprowadził obserwacje dwiema antenami jednocześnie, a skomplikowane operacje związane ze wspólną analizą odebranego sygnału (zwane syntezą apertury) pozwoliły mu na uzyskanie wyniku, który osiągnąłby przy użyciu teleskopu o średnicy równej odległości pomiędzy antenami. Tak narodziła się technika zwana interferometrią radiową, dziś stosowana powszechnie m.in. jako interferometria wielkobazowa – VLBI.
Radioastronomowie mają zatem do dyspozycji wielkie w pełni ruchome instrumenty (np. 100-metrowej średnicy radioteleskop w Effelsbergu oraz 32-metrowej średnicy w Piwnicach pod Toruniem) i nieruchome (chiński FAST[i] o średnicy 500 metrów, który “zastąpił” słynny i już nieistniejący 305-metrowy instrument w Arecibo, czy też radioteleskop w Nancay we Francji). Większość dzisiejszych radioteleskopów pracuje w sieciach VLBI, tworząc wirtualny instrument o rozmiarach całej Błękitnej Planety. W typowych częstotliwościach używanych przez radioastronomów (od setek Megaherców do dziesiątek Gigaherców) w obserwacjach VLBI otrzymujemy rozdzielczości, które pozwoliłyby nam czytać gazetę umieszczoną na powierzchni Księżyca. Niestety, im dłuższe fale radiowe chcemy obserwować, tym rozdzielczość mniejsza, a na dodatek bardziej przeszkadza nam pewna warstwa atmosfery, zwana jonosferą.
Wpływ jonosfery
Każdy z nas widział zapewne, jak migoczą gwiazdy. To efekt związany z ruchami powietrza i tworzeniem się obszarów o różnych właściwościach optycznych. Astronomowie chcąc pozbyć się tego efektu, albo wysyłają teleskopy optyczne na orbitę, albo budują skomplikowane układy redukujące tę niedogodność, zwane optyką aktywną. Krótkie fale radiowe przechodzą przez atmosferę bez większych zakłóceń, jednak te powyżej metra ulegają odkształceniom w podobny do światła, aczkolwiek wolniejszy i bardziej wielkoskalowy sposób[ii].
Do niedawna nasza znajomość jonosfery i możliwość jej modelowania były tak nikłe, że nikt nie wyobrażał sobie obserwacji radiowych na falach o długości powyżej metra przy pomocy interferometrów. Podobnie było z technologiami przetwarzania wielkiej ilości danych z teleskopów będących fazowym układem wielu prostych dipolowych anten. Na szczęście postęp nauki i technologii informatycznych sprawił, że jedno i drugie stało się możliwe. Dzięki temu narodził się LOFAR (ang. LOw Frequency ARray).
Radioteleskop LOFAR w Polsce
System radioteleskopów LOFAR, którego idea sięga jeszcze 1997 roku, został zainaugurowany w 2010 roku w Niderlandach. Wkrótce potem radioastronomowie z Polski, wśród których był profesor Janusz Gil, zaczęli starania o zainstalowanie elementów tego systemu w Polsce. Ukonstytuowało się niebawem polskie konsorcjum POLFAR, w skład którego weszło 9 instytucji: Uniwersytet Jagielloński, Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe, jako instytucje zaangażowane infrastrukturalnie oraz Centrum Astronomiczne Mikołaja Kopernika PAN , Uniwersytet Szczeciński, Uniwersytet Zielonogórski, Uniwersytet Mikołaja Kopernika i Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.
Początkowo liderem konsorcjum był UJ, a prace nad projektem koordynowała pani profesor Katarzyna Otmianowska-Mazur. Od chwili jednak rozpoczęcia realizacji projektu w 2014 roku, pracami konsorcjum kieruje UWM w Olsztynie.
W ramach instrumentu LOFAR do dziś powstały 52 stacje sieci, w których zainstalowano łącznie ponad 100 tysięcy dipolowych anten z systemami odbiorczymi przystosowanymi do rejestracji fal o długości od jednego do kilkunastu metrów. W skład sieci wchodzi 38 stacji na terenie Niderlandów (24 stanowią tzw. Core, z czego 6 ulokowano w obszarze nazywanym Superterp) oraz 14 na terenie Europy; trzy z tych stacji zainstalowano w Polsce. Planowane są dwie kolejne stacje we Włoszech i w Bułgarii. Pola anten wyglądają niepozornie i w niczym nie przypominają gigantycznych stalowych konstrukcji klasycznych radioteleskopów. Na powierzchni około 2 hektarów ulokowane są, pokryte czarną folią, skrzynie oraz proste kratownice z dwumetrowymi słupkami. Jednak ta prostota to tylko pozór – aparatura składa się z 40 km kabli zakopanych pod ziemią, łączących każdy dipol ze skomplikowanym systemem analizatorów digitalizujących sygnał i posyłających go Internetem do korelacji z prędkością 10 Gb/s.
W Polsce, w 2015 roku, jako pierwszą oddano do użytku stację PL612 w Bałdach pod Olsztynem (należącą do UWM), gdzie zainstalowano maksymalną konfigurację, czyli łącznie 3264 dipole . Podobna konfiguracja jest w stacji w Borówcu pod Poznaniem, należącej do Centrum Badań Kosmicznych, zaś stacja Uniwersytetu Jagiellońskiego, budowana w Łazach koło Krakowa, będzie nieco mniejszą jednostką. Od początku 2016 roku polskie stacje biorą udział w badaniach prowadzonych w ramach niezwykle ekskluzywnej grupy – International LOFAR Telescope (ILT).
Jak działa LOFAR?
Każdy dipol jest anteną dookólną, czyli “widzi” całe niebo, ale ich układ – dzięki cyfrowemu sterowaniu zapóźnieniami sygnału (fazami) w poszczególnych elementach – może symulować pojedynczy kierunkowy radioteleskop. Wówczas pole widzenia takiej anteny (wiązka) jest stukrotnie większe niż w przypadku 100-metrowej średnicy klasycznego radioteleskopu, obserwującego na 350 MHz. Jeśli jednak połączymy dwa lub więcej kompletów anten, to wiązka staje się znacznie mniejsza, ale nie to jest najważniejsze. Dysponując odpowiednio szybkim systemem informatycznym, możemy tak sterować fazami, by jednocześnie tworzyć więcej niż jedną wiązkę. Czyli możemy obserwować w tym samym czasie wiele obiektów w różnych częściach nieba ponad horyzontem! Teoretycznie cała sieć LOFAR pozwala jednocześnie prowadzić 256 niezależnych obserwacji.
Komputery muszą być potężne. Już dziś ilość danych generowana przez stacje w Bałdach wywołuje ruch w Internecie większy niż cały Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, który należy do największych w kraju. Centralny korelator, który znajduje się w Holandii, dawniej bazował na superkomputerze IBM Blue Gene/P z przeszło ćwierć milionem procesorów. Dziś wykorzystuje on klaster COBALT (COrrelator and Beamformer Application for LOFAR Telescope) kolejnej generacji, złożony z kilkudziesięciu obliczeniowych kartach graficznych, który musi poradzić sobie ze strumieniem około 250 Gigabitów danych wpływających co sekundę.
Co badamy LOFARem?
W Polskich stacjach, oprócz udziału w sesjach obserwacyjnych całym interferometrem w ramach ILT, podczas cotygodniowych sesji w trybie pojedynczych stacji skupiamy się na kilku tematach badawczych. Prowadzimy regularne obserwacjach pulsarów, do czego system LOFAR nadaje się znakomicie, będąc najbardziej czułym systemem w tych zakresach widma, w których emisja od pulsarów jest najsilniejsza. Badanie Słońca, a co za tym idzie kwestii powiązanych z szeroko pojętą kosmiczną pogodą, jest także jednym z priorytetów całej sieci LOFAR, jak również polskich grup badawczych planujących obserwacje dla polskich stacji. Badanie galaktyk, a szczególnie ich pól magnetycznych to domena, w której sukcesy osiąga grupa badaczy z UJ. Oczywiście nie wyczerpuje to tematów, jakie są i mogą być domeną astronomów korzystających z tego interferometru, który jest niezwykle wszechstronnym instrumentem. Bardzo ważnym zadaniem są badania początkowych etapów rozwoju wszechświata. Przedział częstotliwości stosowanych przez LOFAR sprawdza się znakomicie w obserwacjach linii widmowych wodoru – najpowszechniej tworzącego się w epoce rejonizacji pierwiastka. Ponadto systemy radioteleskopowe wykorzystuje się do badania jonosfery i jej wpływu na funkcjonowanie telekomunikacji satelitarnej, jak również detekcji promieniowania aktywnych radiowo planet pozasłonecznych. Co więcej, przypuszcza się, iż LOFAR będzie w stanie „zobaczyć” nawet księżyce takich planet.
Co po LOFARze?
Zbudowanie trzech stacji LOFAR w Polsce oraz pięcioletni okres ich bezawaryjnego funkcjonowania to wielki sukces polskiej radioastronomii, tym bardziej, że wyniki naukowe osiągane dzięki pracy polskich radioastronomów są w skali świata znaczące. Nasza obecność w strukturach ILT to wielka nobilitacja, jednak musimy zdawać sobie sprawę, że LOFAR to nie tylko najnowocześniejszy dziś interferometr radiowy, który niebawem przejdzie rozbudowę sprzętową do formatu określanego mianem LOFAR 2.0. To także znakomite pole doświadczalne przecierające technologiczne szlaki dla radioteleskopu rodem z marzeń autorów fantastyki naukowej, czyli Squere Kilometer Array (SKA).
Ten interferometr radiowy, będący podobnie jak LOFAR zespołem anten fazowych, ale także tradycyjnych radioteleskopów, powstaje w Australii oraz Republice Południowej Afryki. W Australii już działają prototypowe pola anten związane z SKA, które przynoszą znakomite dane dla astronomów. Szacuje się, że po skończeniu budowy czułość SKA będzie na tyle duża, by dokonać detekcji sygnału o mocy takiej, jak zwykły radar stosowany na lotniskach z odległości 10 lat świetlnych. W planach systemu SKA jest rozmieszczenie tysięcy elementów, połączonych ze sobą oraz z centrami analizatorów i korelatorów siecią światłowodów. Obserwacje przekonwertowane na sygnał cyfrowy wygenerują w przypadku SKA strumień danych stukrotnie przekraczający ilość danych dziś generowaną w ruchu internetowym.
[i] Five hundred meter Aperture Spherical Telescope.
[ii] Więcej detali dotyczących jonosfery i jej badań można znaleźć w artykule: https://obserwator.imgw.pl/jakie-znaczenie-ma-jonosfera/.
Zdjęcie główne: Aldebaran s on Unsplash | Unsplash
Leszek Błaszkiewicz
Doktor habilitowany, radioastronom, pracownik naukowo-dydaktyczny Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego na Wydziale Geoinżynierii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. W swojej pracy naukowej w przeszłości zajmował się promieniowaniem kosmicznych maserów, a obecnie swą uwagę poświęca pulsarom. W ostatnim czasie szczególnie interesuje go wykorzystywanie sygnałów pochodzących od tych egzotycznych obiektów astrofizycznych do diagnostyki ziemskiej jonosfery. Związany z radioteleskopem LOFAR w Polsce od początku istnienia idei jego budowy; brał czynny udział w budowie stacji PL612 w Bałdach i obecnie zarządza pracą tej stacji. Prywatnie wielki fan literatury SF i koneser muzyki elektronicznej.
Andrzej Krankowski
Profesor, kierownik Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, członek Zarządu the International LOFAR Telescope, przewodniczący POLFARO – konsorcjum właścicieli 3 stacji LOFAR w Polsce oraz PCSS, członek grupy zarządzającej „Core Team” projektu kluczowego LOFAR-a: KSP „Solar Physics and Space Weather with LOFAR”. W swojej pracy naukowej zajmuje się szeroko pojętą tematyka jonosfery i pogody kosmicznej.
