Międzynarodowy zespół złożony z ponad dwustu astronomów z osiemnastu krajów opublikował dane z pierwszej fazy nowego, wielkiego radiowego przeglądu nieba o niespotykanej dotychczas czułości, realizowanego przy pomocy interferometru LOFAR (The LOw Frequency ARray). Zaprezentowane radiowe mapy nieba 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. Owym rezultatom poświęcone zostanie specjalne wydanie czasopisma naukowego Astronomy & Astrophysics, w którym znajdzie się dwadzieścia sześć artykułów opisujących nowy przegląd i jego pierwsze rezultaty.
Radioastronomia pozwala dojrzeć niedostępne dla instrumentów optycznych procesy zachodzące we Wszechświecie. 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). Do dziś opublikowano około dziesięciu procent zebranych danych, zawierających około trzystu tysięcy radioźródeł, w większości odległych galaktyk. Pochodzące z nich sygnały radiowe potrzebowały miliardów lat, by dotrzeć do Ziemi.
Wśród obiektów, które zostały zbadane w pierwszej fazie nowego przeglądu, są między innymi galaktyki zawierające supermasywne czarne dziury; czułość LOFAR-a pozwoliła na dojrzenie, że strugi naładowanych cząstek (dżety) obecne są we wszystkich najmasywniejszych galaktykach. Znalezienie odpowiedzi na pytanie, skąd biorą się takie czarne dziury, to jeden z celów nowego przeglądu.
Innym rodzajem źródeł ujętych w publikowanych właśnie pracach są gromady galaktyk. Radioastronomia pozwala na dojrzenie nie tylko składających się na nie galaktyk, ale też i promieniowania pochodzącego z wypełniającego je ośrodka – jest to bardzo słaby sygnał, którego źródeł są fronty uderzeniowe i turbulencje powstające wtedy, gdy dwie gromady zlewają się ze sobą. LOFAR odkrył jednak, że emisja tego typu występuje też w obiektach, które nie ulegają zlewaniu – co rodzi pytanie, w jaki sposób możliwe było przyspieszenie cząstek za nią odpowiedzialnych.
Kolejnym podjętym tematem były kosmiczne pola magnetyczne. Ich obserwacja jest stosunkowo trudna: mają one niskie natężenia (rzędu mikrogausów), co przekłada się na słaby sygnał radiowy. Doskonała czułość LOFAR-a pozwala jednak na ich rejestrację – jak w przypadku gigantycznej radiogalaktyki, którą analizowano w ramach jednej z właśnie opublikowanych prac.
Aby wszystkie te rezultaty były możliwe, konieczne było jednak przeanalizowanie ogromnych ilości danych – i przeprocesowanie ich w taki sposób, by uzyskane obrazy nieba radiowego miały jak najlepszą jakość. Dotychczas zebrane dane potrzebują tyle miejsca, ile zapewniłoby dziesięć milionów płyt DVD. Udało się to dzięki postępowi w matematyce, pozwalającemu na zmianę naszego podejścia do interferometrii radiowej, oraz dzięki ogromnej mocy obliczeniowej superkomputerów. Dane z LOFAR-a zostały zmagazynowane i opracowane w ośrodku SURFsara w Amsterdamie – to w pełni zasilane z odnawialnej energii centrum komputerowe posiada maszynę typu grid, która na przetworzenie dwudziestu petabajtów danych potrzebowała mniej niż roku czasu.
Radioteleskop LOFAR, Sieć Niskoczęstotliwościowa, jest unikalny pod względem możliwości wysoce szczegółowego mapowania nieba na falach metrowych. Operatorem LOFAR-a jest holenderski instytut ASTRON, a sam teleskop uważany jest za najlepszy instrument swojego rodzaju na świecie. Członkiem konsorcjum zarządzającego instrumentem jest od roku 2015 także i Polska, posiadająca trzy stacje radiointerferometru: w Bałdach (zarządzaną przez Uniwersytet Warmijsko-Mazurski), w Borówcu (operatorem jest Centrum Badań Kosmicznych PAN) i w Łazach (należy do Uniwersytetu Jagiellońskiego).
W opracowaniu danych uczestniczyły dwie polskie uczelnie: Uniwersytet Jagielloński i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zespół z Krakowa pracował nad identyfikacją i klasyfikacją tysięcy radioźródeł, badał przyczyny zależności emisji radiowej od aktywności gwiazdotwórczej galaktyk spiralnych, analizował procesy ucieczki cząstek promieniowania kosmicznego z galaktyk i poszukiwał kosmicznych pól magnetycznych. Dodatkowo, jedna z prac – dotycząca powszechności występowania rozciągłej emisji radiowej w grupach galaktyk, zagadnienia dotychczas bardzo słabo poznanego – była własnym projektem jednego z naukowców zatrudnionych w Obserwatorium Astronomicznym.
Również i toruńscy naukowcy brali czynny udział w tworzeniu ogromnego katalogu radioźródeł – a także analizowali 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).
Następny krok
Dwadzieścia sześć artykułów, które ukazały się właśnie w „Astronomy & Astrophysics”, opartych było o zaledwie dwa procent danych z nowego przeglądu. Celem zespołu badawczego jest stworzenie wysokiej rozdzielczości map całego północnego nieba, co powinno pozwolić na ukazanie piętnastu milionów radioźródeł. Choć jeszcze nie wiadomo, jakie odkrycia mogą przynieść nowe dane, naukowcy są pewni: jest to coś, na co czekają z niecierpliwością.
Ilustracja:
Po lewej: 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. Źródło: Amanda Wilber/LOFAR Surveys Team/NASA/CXC
Na środku: Ta ilustracja ukazuje, w jaki sposób LOFAR otwiera nowe okno na Wszechświat. Optyczny obraz oddalonej o około 460 milionów lat świetlnych od Ziemi gromady Abell 1314 (kolor szary) został połączony z radiowym z LOFAR-a (pomarańczowy). Wyraźnie widać, że obrazy te są diametralnie różne, co zmienia nasze wyobrażenie o tym, w jaki sposób galaktyki powstają i ewoluują. W środku każdej z nich znajduje się czarna dziura: gdy materia opada na nią, zostają uwolnione niewyobrażalne ilości energii: elektrony wyrzucone są niczym woda w fontannie. Te przyspieszone elektrony są źródłem emisji radiowej, która może rozciągać się na ogromnych odległościach i nie posiada odpowiednika w zakresie optycznym. Źródło: Rafaël Mostert/LOFAR Surveys Team/Sloan Digital Sky Survey DR13
Po prawej: Na obrazie znajduje się Galaktyka Wir, M51. Leży ona 15-35 milionów lat świetlnych od Ziemi i ma średnicę około 60 000 lat świetlnych. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura. Dzięki danym z LOFAR-a (żółte i czerwone odcienie) można dojrzeć, że galaktyka spiralna i jej towarzysz oddziałują ze sobą: łączy je most emitującej radiowo materii. Źródło: Sean Mooney/LOFAR Surveys Team/Digitized Sky Survey
LOFAR
Międzynarodowy Teleskop LOFAR (ILT) składa się z europejskiej sieci anten radiowych, połączonych siecią optyczną wysokich prędkości, rozciągająca się przez siedem krajów. LOFAR został zaprojektowany, zbudowany i jest zarządzany przez Holenderski Instytut Radioastronomii – ASTRON, a jego centralna część znajduje się w Exloo w Holandii. LOFAR obserwuje poprzez połączenie sygnałów pochodzących z ponad 100,000 pojedynczych dipoli antenowych, wykorzystując potężne komputery by procesować je tak, jak gdyby był pojedynczą anteną o średnicy 1900 km. Posiada niezrównaną czułość i zdolność do wysokorozdzielczościowego obrazowania (czyli umiejętność tworzenia wysoce szczegółowych map nieba), przez co archiwum danych z LOFAR-a jest największym zbiorem danych astronomicznych na świecie, rozdysponowanym między SURFsara (Holandia), Forschungszentrum Jülich (Niemcy) i Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym (Polska). LOFAR przeciera drogę dla SKA (Square Kilometre Array), która będzie największym I najbardziej czułym radioteleskopem na świecie.
Fotografie i nagranie z drona obrazujące centralną stację LOFAR-a w Exloo w Holandii można znaleźć pod tym adresem. Materiały te można użyć pod warunkiem zacytowania źródła (ASTRON).
Czytaj więcej:
- Informacja prasowa na stronie Uniwersytetu Jagiellońskiego
- Wszystkie artykuły naukowe ze specjalnego wydania Astronomy & Astrophysics
- Strona LOFAR Surveys
- Więcej obrazów z sieci LOFAR
- Film na temat LOFAR (5 minut, polskie napisy, YouTube)
- Film: Wszechświat radiowy widziany przez LOFAR-a
- Film: Różnice między nowymi rezultatami z LOFAR-a a danymi optycznymi
Źródło: LOFAR Surveys Team, Błażej Nikiel Wroczyński
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji powyżej: Galaktyka Wir, tym razem ukazana jako kontury emisji radiowej naniesione na obraz optyczny (kolory nienaturalne). Dostrzec można, że rozciągłość emisji radiowej jest znacznie większa niż optycznej, przez co galaktyka wygląda na większą: niskoczęstotliwościowe obserwacje radiowe ujawniają otoczki wokół galaktyk spiralnych. Źródło: Błażej Nikiel-Wroczyński/LOFAR Surveys Team/Aladin Sky Atlas/Digitized Sky Survey
