SKA — kilometrowy radioteleskop!

Wstęp

Wszechświat wciąż jest źródłem większej liczby pytań niż odpowiedzi. Ale dziś znajdujemy się w miejscu, gdy wreszcie możemy próbować naukowo odpowiadać na te najbardziej fundamentalne. Biologia stara się nam wyjaśnić powstanie i ewolucję ludzkiego gatunku, zaś astronomia pozwala badać początek i ewolucję Wszechświata. Dziedziną, która w znaczący sposób pozwala zmierzyć się z tymi problemami, jest radioastronomia.

Radioastronomia jest wciąż młodą dziedziną nauki, ale już dostarczyła nam wielu przełomowych odkryć, które w istotny sposób zmieniły nasze pojmowanie Wszechświata. Odkrycie mikrofalowego promieniowania tła stanowiło najlepsze potwierdzenie teorii Wielkiego Wybuchu, a zatem doprowadziło do odważnego mówienia w nauce o początku istnienia Wszechświata. Odkrycie pulsarów, stanowiących szybko rotujące gwiazdy neutronowe, pozwoliło na testowanie wielu aspektów teorii Einsteina. W konsekwencji, gdy odkryto układ podwójny pulsarów, udało się po raz pierwszy potwierdzić obecność fal grawitacyjnych. Zaś dokładne zmapowanie kosmicznego promieniowania tła pokazało pierwotne ziarna później powstałych obiektów. Te odkrycia były tak znaczące, że zostały uhonorowane czterema Nagrodami Nobla.

Rozwój w radioastronomii zawsze był związany z rozwojem technologii. To ona determinuje możliwości instrumentów astronomicznych, które z kolei przekładają się na nowe odkrycie naukowe. Nie bez przyczyny postęp technologii w radioastronomii bywał również nagradzany Nagrodą Nobla, jak w przypadku sir Martina Ryle'a (opracowanie syntezy apertury, pozwalającej na działanie wielu anten jak jeden, wielki radioteleskop). Zatem pragnąc coraz to lepiej poznać odpowiedzi na fundamentalne pytania, jakie stawia nam Wszechświat, potrzebujemy nowej generacji instrumentów astronomicznych, które będą wykorzystywały najnowsze zdobycze techniki. Odpowiedzią na takie zapotrzebowanie ma być właśnie jednokilometrowy radioteleskop, nazwany w skrócie SKA (Square Kilometre Array). Schemat jego budowy został przedstawiony na rys. 1.

SKA = Square Kilometre Array

Sama idea SKA narodziła się we wczesnych latach 90. Ten międzynarodowy projekt został zatwierdzony we wrześniu 1993 r. przez Międzynarodową Unię Nauk Radiowych, URSI (International Union of Radio Science). W sierpniu 2000 r. powołano pierwszy zespół zajmujący się realizacją tego projektu (ISSC, tj. International Square Kilometre Array Steering Committee), a cała inicjatywa dostała poparcie przedstawicieli 11 państw, w tym Polski. I tak ruszył ten potężny projekt, którego realizacja trwa i trwać będzie jeszcze przez długie lata.

Zatem podsumowując, SKA jest potężnym projektem naukowo-technicznym, którego realizacja wymaga współpracy między wieloma krajami. Wiąże się to też z ogromnymi nakładami finansowymi, które dźwigać będą poszczególne kraje. Lecz jest to obecnie naturalna droga do realizacji tak ambitnych projektów, z których będą mogli korzystać astronomowie z całego świata. W końcu mówimy tu o budowie teleskopu o powierzchni zbierającej rzędu milionów metrów kwadratowych! To oznacza poprawę o dwa rzędy wielkości względem istniejących teleskopów. I jest to tylko jedna z wielu cech tego radioteleskopu, która sprawia, że przewyższa on swoich poprzedników.

Charakterystyka radioteleskopu

SKA będzie instrumentem złożonym z wielu rodzajów anten, rozłożonych na odległości do 3000 km. Aby zapewnić temu teleskopowi zarówno krótkie bazy, określające maksymalne rozmiary struktury, jakie można zdetekcjonować, jak i duże bazy potrzebne do uzyskania dużych zdolności rozdzielczych (wielkości mówiącej o dokładności widzenia struktur danego źródła), struktura teleskopu będzie dość skomplikowana. Obszar o średnicy do 1 km ma zawierać ma ok. 20% powierzchni zbierającej, 50% ma się znajdować w obszarze 5 km, a 75% w obszarze 150 km. Zatem centralne „jądro” będzie otoczone licznymi stacjami anten sięgającymi aż do 3000 km od centrum, co również jest pokazane na rys. 1. Zadaniem SKA będzie obserwowanie w bardzo szerokim widmie, począwszy od 70 MHz i sięgając aż do 35 GHz. Jednak by działać efektywnie w tak szerokim zakresie widma, potrzebne są różne rodzaje anten. Stąd SKA będzie składało się zarówno z anten parabolicznych, dipolowych czy taflowych, tworząc przy tym ciekawą strukturę, która zastała pokazana na rysunkach 2 i 3. Teleskop ten będzie się charakteryzować 50 razy większą czułością niż jakikolwiek radioteleskop dotychczas zbudowany. Przykładowo, na częstotliwości 20 GHz w paśmie 4000 MHz obliczono, że rms (root mean square) uzyskany w ciągu godziny będzie wynosił około 0,08 mJy. SKA będzie też mógł dokonywać przeglądów nieba 10 000 razy szybciej niż dotychczas jest to możliwe, co, poza wspomnianymi cechami, będzie zawdzięczać szerokiemu polu widzenia i istnieniu wielu niezale żnych wiązek czy wysokiej dynamice obrazów.

Czas realizacji projektu

Mając tak ambitne plany, trzeba się liczyć z tym, że budowa takiego radioteleskopu będzie trwała lata. Wszak wiele potrzebnych rozwiązań technologicznych wciąż nie zostało wynalezionych. Wiąże się to przede wszystkim z problemem przetwarzania danych z tak wielu anten. Obecnie jesteśmy na etapie wyboru ostatecznego projektu. Decyzja w tej sprawie ma zapaść do końca 2010 r. W kolejnym roku przewiduje się ostateczny wybór lokalizacji SKA. Trwa ostra konkurencja w tej kwestii między Afryką Południową (rys. 4) a Australią (rys. 5). Choć wydaję się, że wygrywa ją Afryka, która już uczestniczy w wielu innych projektach, to wciąż niepokojące są konflikty lokalne, groźne o tyle, że SKA będzie musiało znajdować się na terenie kilku krajów. Kolejnym krokiem będzie zbudowanie i uruchomienie pierwszych 10% powierzchni. Ma się to stać około 2014 r. Zaś w pełni operacyjny SKA (ale działający do częstotliwości 10 GHz) powinien być gotowy między 2016 a 2020 rokiem. W końcowej fazie planuje się jeszcze rozszerzenie zakresu odbieranych częstotliwości do 35 GHz. Na ile uda się zrealizować ten plan, pokaże życie. Jednak że już w tej chwili mają miejsce liczne szkoły, przygotowujące do pracy z tym instrumentem. Wszak ważne jest, by takim wysiłkiem zbudowany radioteleskop został jak najefektywniej wykorzystany.

Nauka przy użyciu SKA

Zajmijmy się rzeczą najważniejszą. W końcu dla astronomii jest najważniejszy pożytek naukowy ze zbudowanego instrumentu. Zatem jakie przewidujemy odkrycia, co sprawia, że gotowi jesteśmy wydać miliardy euro na budowę tego radioteleskopu? W przypadku SKA wyróżniono 6 kluczowych dla nauki projektów, w zakresie których mamy nadzieję istotnie powiększyć nasze rozumienie Wszechświata. Projekty te postaram się tu po kolei przybliżyć:

a) Ciemna energia i ciemna materia

Choć już od wielu lat wiemy, że znana nam materia barionowa stanowi ledwo 4% materii we Wszechświecie, to wciąż nie jest nam znana natura pozostałych 96%. Dotychczas nadaliśmy nazwy i poznaliśmy pewne własności omawianych składników Wszechświata. Zatem wiemy, że część stanowi ciemna materia, która ma tę własność, że oddziałuje grawitacyjnie, ale nie elektromagnetycznie (czyli nie emituje światła), zaś większość stanowi ciemna energia, która według teorii odpowiada za przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Jednak odpowiedzi na pytanie, czym są poszczególne składniki, wciąż nie znamy. A są to przecież składniki, które mają zdecydować o ostatecznym losie Wszechświata. I tu z pomocą przyjdzie SKA. Pierwszą rzeczą, na jaką pozwoli nam ten instrument, to detekcja miliardów galaktyk w ciągu kilku lat, do poczerwienienia rzędu z = 2. A to z kolei pozwoli nam poznać dystrybucję ewoluującej materii. Znając ją, będziemy mogli określić geometrię Wszechświata i na tej podstawie sprawdzić, czym jest ciemna energia. Wciąż spierają się ze sobą dwie teorie. Jedna sugeruje, że odpowiedzialna za istnienie ciemnej energii jest energia próżni, zaś druga opowiada się po stronie zmodyfikowanej teorii grawitacji. W praktyce polega to na wyznaczeniu parametru w, będącego stosunkiem gęstości energii do ciśnienia ciemnej energii. Parametr ten powinien być stały w czasie dla modelu energii próżni, zaś zmienny w przypadku, gdy mamy do czynienia z modyfikacją teorii grawitacji. Obecne instrumenty nie mają możliwości zmierzenia go z zadowalającą dokładnością. Zatem SKA pozwoli na pierwsze dokładne badanie równania stanu ciemnej energii. A jest to jedna z najbardziej fundamentalnych kwestii w dzisiejszej astronomii.

Inną możliwość badania tych składników Wszechświata daje nam mikrosoczewkowanie grawitacyjne (przykład znajduje się na rys. 6). Uzyskany w mikrosoczewkowaniu obraz zależy od masy obiektów (a zatem też od masy ciemnej materii), a więc porównanie go z obrazem optycznym daje możliwość oszacowania ilości ciemnej materii. Jest to już znana metoda, jednak teraz będzie ona możliwa do wykorzystania na ogromną skalę. W końcu interesuje nas jak najdokładniejsze zmapowanie dystrybucji ciemnej materii. Zatem badania te są bardzo ambitne, a istnieją również plany, by zmierzyć masę neutrin.

b) Ewolucja galaktyk i struktury wielkoskalowe

Ewolucja galaktyk wciąż jest gorącym problemem. W końcu mówimy tu o czasach istnienia rzędu miliardów lat! Zatem jest potrzebny instrument, który pozwoli zajrzeć jeszcze dalej i dalej, tak by wreszcie móc odpowiedzieć na pytanie, co było pierwsze: gwiazdy czy galaktyki? I choć przypomina to pytanie o kurę i jajko, to my mamy możliwość uzyskania odpowiedzi. Wiąże się to z możliwością mapowania z ogromną czułością linii neutralnego wodoru 21 cm we wczesnym Wszechświecie, jak i emisji od pyłu, molekularnego gazu czy radiowej emisji ciągłej. SKA powinien dać nam możliwość zobaczenia pierwszych obszarów powstawania gwiazd, dysków akrecyjnych wokół pierwszych masywnych czarnych dziur, pierwszych galaktyk z epoki, w czasie której gaz po raz pierwszy zaczął tworzyć te widziane również przez nas na nocnym niebie obiekty. Epoką tą jest epoka rejonizacji (koniec tej fazy opowiada poczerwienieniu ok. z = 7, co pokazano na rys. 7) i może ona być studiowana jedynie przy użyciu fal radiowych. Stąd nie tylko SKA stawia sobie za cel jej zbadanie. Będziemy mieli możliwość studiowania kolejności powstawania różnego rodzaju źródeł, prześledzenia, jak łączą się ze sobą w pierwsze struktury i ich ewolucję, co pozwoli nam również zrozumieć dzisiaj obserwowany Wszechświat.

c) Teoria względności w ekstremalnych warunkach

Teoria względności wciąż budzi wiele emocji. Jesteśmy nieustannie pod wrażeniem jej zgodności z obserwacjami, jednak nie sposób uwolnić się od pytania, jak daleko ta zgodność zachodzi, czy uda nam się znaleźć miejsce, gdzie wreszcie zawiedzie? Jednak, aby prowadzić rozsądne testy jej granic, są potrzebne ekstremalne pola grawitacyjne, niedostępne na Ziemi. Jednakże takie warunki istnieją w wielu miejscach we Wszechświecie, a szczególnie są związane z czarnymi dziurami, jak i gwiazdami neutronowymi. SKA i tu ogromnie poszerzy nasze możliwości. Uważa się, że przy jego użyciu zdołamy „zmierzyć” rotację wszystkich czarnych dziur i to z ogromną precyzją. Każda rotująca czarna dziura wywoła precesję dysku akrecyjnego, nie dającą się wyjaśnić przez teorię Newtona, którą będzie można zmierzyć. To samo zjawisko występuje w Układzie Słonecznym, gdzie efekty relatywistyczne wywołują precesję orbity Merkurego (bardzo słabą, ze względu na nieporównywanie mniejsze masy), co stanowiło jeden z pierwszych dowodów na teorię Einsteina. Na tej podstawie będzie też można sprawdzić zależności przewidywane przez ogólną teorię względności.

Kolejnym oczekiwanym osiągnięciem SKA będzie bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych. Stanie się to możliwe dzięki odkryciu tysięcy kosmicznych zegarów, jakimi są pulsary. Mamy nadzieję, że wiele z nich będzie w układach z czarną dziurą, co pozwoliłoby na badanie ultrarelatywistycznych efektów. Rysunek 8 pokazuje zarówno znane obecnie pulsary (jaśniejsze kropki), jak i te, które spodziewamy się znaleźć dzięki SKA (pozostałe kropki). Znając czasy przyjścia pulsów z całej siatki pulsarów (co zostało pokazane na rys. 9) rozłożonych nie tylko w Galaktyce, dysponowalibyśmy doskonałym detektorem na fale grawitacyjne. Poza wspomnianą bezpośrednią detekcją tych fal powinniśmy również odkryć fale pochodzące z różnych spektakularnych zdarzeń we Wszechświecie, jak choćby od zderzających się masywnych czarnych dziur czy czarnej dziury i gwiazdy neutronowej. Zatem daje to doskonałe możliwości szybkiego dostrzegania interesujących zjawisk na niebie.

d) Pochodzenie i ewolucja pola magnetycznego

Pole magnetyczne występuje praktycznie wszędzie we Wszechświecie. Wpływa ono na życie planet, gwiazd, jak i całych galaktyk czy gromad galaktyk. Czasem jest to pole ledwo dostrzegalne, aż w niektórych obiektach, jak magnetarach, przyjmuje ono ekstremalne wartości. Tu często obserwacje radiowe stanowią jedyny środek do obserwacyjnego badania własności pola magnetycznego, w szczególności w obiektach pozagalaktycznych. Przykładem tego jest prezentowane na rys. 10 pole magnetyczne galaktyki M51. Obecnie znamy dość dobrze mechanizmy wzmacniania pola (choć wciąż pragniemy je poznać lepiej), jednakże cały czas pozostaje otwarty problem, w jaki sposób powstało pierwotne pole magnetyczne i jaki ma wpływ na ewolucję poszczególnych źródeł. Dlatego też jednym z podstawowych zadań SKA ma być wykrycie milionów słabych, spolaryzowanych źródeł pozagalaktycznych, rozłożonych po całej półkuli, ze średnim rozdzieleniem 60 arcsec. Pozwoli to na pełną charakterystykę ewolucji pola magnetycznego w galaktykach i gromadach galaktyk od poczerwienienia z > 3 aż do teraz. Pomoże to stwierdzić, czy istnieje związek między formowaniem się pola magnetycznego a formowaniem się struktur we wczesnym Wszechświecie. Zaś najważniejszym wynikiem będzie dodanie dodatkowych ograniczeń na to, kiedy i jak powstały pierwsze ziarna pola magnetycznego. Obecnie są nam znane różne ograniczenia na wielkość pierwotnego pola, wynikające choćby z obserwacji kwazarów, anizotropii mikrofalowego promieniowania tła czy z analizy pierwotnej nukleosyntezy i jej obserwowalnych skutków. Zaś dodatkowe obserwacje może pozwolą nam ostatecznie rozstrzygnąć kwestie powstania pola i stwierdzą, która z konkurujących teorii za to odpowiada. Dodatkowym ambitnym zamiarem jest stworzenie trójwymiarowego modelu Drogi Mlecznej i innych galaktyk, które pozwolą studiować procesy formowania się obecnie obserwowanego pola.

e) Planety pozasłoneczne i życie pozaziemskie

Obecnie znamy ponad 300 planet w ponad 250 układach planetarnych. Z każdym dniem odkrywane są nowe. Obecne metody odkrywania planet opierają się przede wszystkim na pomiarze prędkości radialnych gwiazd centralnych i szukaniu w nich regularnych zmienności albo, w mniejszym stopniu, na tranzytach planet czy mikrosoczewkowaniu grawitacyjnym. Jednakże takie planety mogą mieć również silną emisję radiową, związaną z istnieniem silnej magnetosfery, tak jak w przypadku Jowisza. Taki sposób detekcji wydaje się o tyle sensowny, że przecież ok. 20% z odkrytych planet stanowią tzw. gorące jowisze, znajdujące się w odległości od gwiazdy centralnej mniejszej niż 0,05 AU (rys. 11 przedstawia planety znane na rok 2005 do odległości 200 pc). Zatem da nam to dodatkową możliwość poszukiwania planet na masową skalę. Jednakże nas najbardziej interesuje znalezienie odpowiedzi na pytanie, jak powstają planety takie jak nasza. Aby tego dokonać, SKA obdarzony ogromną czułością i zdolnością rozdzielczą powinien zdołać powiększyć przerwy w dyskach protoplanetarnych blisko gwiazdy centralnej (artystyczna wizja została pokazana na rys. 12), tak by zobaczyć miejsca, w których możliwe, że znajdują się formowane właśnie planety ziemiopodobne. Przykładowo na 20 GHz SKA zapewni możliwość mapowania emisji termicznej ze zdolnością rozdzielczą 0,15 AU do odległości 150 pc. W tej odległości znajduje się wiele dobrze zbadanych rejonów formowania się gwiazd. Oznacza to również, że nie tylko będziemy mogli odkrywać rejony formowania się planet typu ziemskiego, ale i obserwować ewolucję dysku protoplanetarnego w skalach miesięcy, a zatem dysponować „filmem” z tworzenia się planet. Obecnie wiemy, że odkrycie planet ziemiopodobnych wokół gwiazd podobnych do Słońca wydaje się już tylko kwestią czasu. Przecież już dziś nikt nie wątpi, że Wszechświat jest wprost wypełniony planetami.

Jednak gdy już poruszamy tak bliskie nam tereny, nie sposób nie wspomnieć o wiecznej fascynacji ludzkości, jakim jest poszukiwanie życie we Wszechświecie. Chcemy sprawdzić, czy jesteśmy sami. Już dziś staramy się w ramach naszych technologicznych umiejętności szukać tego życia (program SETI), jednakże bez rezultatów. Ale żeby odkryć życie, wystarczy nam odebrać jeden sygnał, jeden przekaz na falach radiowych! Musimy jednak mieć techniczne możliwości usłyszenia go i skierować nasze radiowe uszy we właściwą stronę. Odkrywanie nowych planet może nam pomóc w drugim problemie, ale wciąż musimy mieć odpowiednio czułe instrumenty, które wykryją sygnały nie kierowane specjalnie do nas, ale związane ze zwykłą cywilizacyjną działalnością. I znów SKA ma dokonać tego skoku w technologii. Pozwoli on szukać sygnałów o sile zbliżonej do tych emitowanych przez telewizję czy radary na naszej rodzimej planecie, wokół pobliskich gwiazd. Dodatkowo, SKA będzie dysponować wystarczającą zdolnością rozdzielczą i czułością, by studiować przejścia w takich związkach, jak aminokwasy czy skomplikowane biomolekuły węglowe. A zatem sięgamy już tu do związków organicznych. Oczywiście potrzeba nam też trochę szczęścia, ale nawet największemu szczęściu trzeba jeszcze dopomóc.

f) Odkrywanie nieznanego

Pozostaje zadać sobie pytanie, czy to, co widzimy wraz z rozwijającymi się teoriami opisującymi wszystkie znane nam procesy fizyczne, pozwala nam przewidzieć już wszystko we Wszechświecie? Czy może jest to tylko kosmiczna „okładka”, a nowe odkrycia znów zaskoczą nas i drastycznie zmienią nasz obraz Wszechświata. Wszak człowiek już nieraz sądził, że większość już wie i nieraz dostawał lekcję, jak bardzo się myli. My jednak wciąż lubimy popełniać ten sam błąd, może dlatego, że lubimy być zaskakiwani. Dlatego lepiej nie starać się przewidzieć, jakie zupełnie nowe odkrycia przyniesie przyszłość, a jedynie dla pokory spojrzeć na historię astronomii, która jest pełna takich niespodziewanych odkryć. Za współczesne przykłady niech posłużą odkrycia pulsarów, czarnej materii czy energii, które przecież tak diametralnie zmieniły to, co sądzimy o Wszechświecie. Także nie jesteśmy w stanie przewidzieć, co nowego odkryjemy, ale możemy przewidzieć, że z pewnością nas to zaskoczy.

Podsumowanie

SKA będzie spełnieniem wielu marzeń astronomów, jednakże na ich realizację przyjdzie nam trochę poczekać. Zanim będzie można prowadzić pierwsze obserwacje, minie minimum 6 lat i dostępne będzie jedynie 10% oczekiwanej powierzchni. Zaś na całe, w pełni operacyjne SKA będziemy oczekiwać przynajmniej 12 lat. Ale nawet te 10% powierzchni drastycznie poprawi nasze możliwości badania przeróżnego rodzaju źródeł.

Ze względu na istotne trudności przy budowie tak nowoczesnego instrumentu, jakim jest SKA, realizuje się obecnie inne projekty, które mają pomóc w znalezieniu właściwych rozwiązań technologicznych. Przykładem może być ASKAP (Australian SKA Pathfinder), radioteleskop obecnie budowany w Australii. Będzie się on składał z 45 parabolicznych anten z innowacyjnymi odbiornikami, które mają pracować jak jeden radioteleskop. To okaże się testem dla „jądra” SKA, choć teleskop sam w sobie będzie stanowił jeden z najlepszych instrumentów radiowych na świecie. Innym istotnym projektem, służącym m.in. do testowania technologii użytych później do SKA jest LOFAR (LOw Frequency ARray). Jest to instrument wciąż w fazie konstrukcji, choć pierwsze jego bazy zostały już zainstalowane. LOFAR to już pracujący radioteleskop, którego oddzielnym zadaniem jest badanie Wszechświata na niskich częstotliwościach, obecnie bardzo zaniedbanych. Zdjęcia różnego rodzaju anten są pokazane na rys. 13 (HBA tj. anteny na wyższe pasma częstotliwości, 115 – 240 MHz) i 14 (LBA tj. anteny na niższe pasma częstotliwości, 30 – 80 MHz). „Jądro” LOFAR-u zostało już zbudowane w Holandii, a dalsze bazy powoli są rozmieszczane w różnych krajach Europy. Także Polska (w tym Toruń) ma zamiar uczestniczyć w tym projekcie i zbudować stację LOFAR-u. Co istotne, instrument ten już ma swoje pierwsze wyniki naukowe. Zatem te projekty same w sobie stanowią istotny wkład do rozwoju radioastronomii.

Wymieniono tylko główne, kluczowe dla SKA projekty naukowe, ale przecież wciąż istnieje wiele innych zakresów zainteresowań astronomii, które będą mogły być rozwijane. Zatem SKA przyczyni się do odpowiedzenia zarówno na te najbardziej fundamentalne pytania, jak choćby związane z naturą czarnej materii czy energii, jak i na bardziej standardowe, przykładowo związane z ewolucją gwiazd czy planet. Stąd można mieć nadzieję, że te miliardy euro poświęcone na rozwój instrumentów radioastronomicznych będą dobrze wykorzystane.

Mgr Bogna Pazderska jest młodą absolwentką astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, a obecnie doktorantką radioastronomii na tym Uniwersytecie