Międzynarodowa grupa naukowców przy użyciu radioteleskopu Low Frequency Array (LOFAR) stworzyła niezwykle szczegółową radiową mapę Wszechświata, najbardziej kompletną w historii radioastronomii. Obrazuje aż 13,7 miliona galaktyk aktywnych (z supermasywnymi czarnymi dziurami w ich wnętrzach) oraz niezwykłą różnorodność zasilanych przez nie układów, których emisja radiowa może rozciągać się nawet na miliony lat świetlnych.
Obserwacje nieba na niskich częstotliwościach radiowych ujawniają zupełnie inny obraz Wszechświata niż ten, który jest widoczny w zakresie światła odbieranego przez nasze oczy. Znaczna część emisji radiowej generowana jest przez naładowane relatywistyczne cząstki poruszające się w polu magnetycznym. Obserwacje radiowe pozwalają zatem astronomom śledzić bardzo energetyczne zjawiska, takie jak wielkoskalowe skolimowane wypływy plazmy – dżety – wypływające z okolic supermasywnych czarnych dziur czy burzliwe procesy formowania gwiazd zachodzące w galaktykach.
Dzięki niezwykłej rozdzielczości kątowej, mapy LOFAR-a ujawniły również rzadkie i nieuchwytne dotąd obiekty, w tym np. zlewające się gromady galaktyk, słabe pozostałości po wybuchach supernowych czy rozbłyski generowane przez gwiazdy. Te, głębokie jak jeszcze nigdy dotąd, mapy radiowe Wszechświata umożliwiły astronomom przeprowadzenie nowych analiz, dostarczając cennych informacji na temat powstawania i ewolucji struktur kosmicznych, przyspieszania cząstek do ekstremalnych energii oraz konfiguracji kosmicznych pól magnetycznych.
Zebrane dane są już dokładnie analizowane pod kątem rzadkich zjawisk astrofizycznych. Odkryto w nich m.in. sporadyczne i zmienne źródła radiowe, nieznane wcześniej pozostałości po supernowych, jedne z największych i najstarszych znanych radiogalaktyk oraz emisję radiową pochodzącą z oddziaływania planet pozasłonecznych z ich macierzystymi gwiazdami. Przegląd pozwala też na analizę różnych populacji supermasywnych czarnych dziur i generowanych przez nie wypływów na różnych etapach ich ewolucji. Pierwsze wyniki naukowe pozwoliły już oszacować tempo formowania się gwiazd w milionach galaktyk oraz prześledzić, jak ewoluowało ono na przestrzeni kolejnych epok kosmologicznych. Badania trwają.
Opublikowany dziś przegląd LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS-DR3) to jednak coś znacznie więcej.
Osiągnięcie to stanowi przykład modelowej współpracy w ramach Europejskiego Konsorcjum Infrastruktury Badawczej LOFAR (European Research Infrastructure Consortium LOFAR ERIC, skupiającego ekspertów z Holandii, Niemiec, Francji, Wielkiej Brytanii, Polski, Włoch, Szwecji, Irlandii, Łotwy i Bułgarii. Unikalna konstrukcja interferometru LOFAR obejmuje 38 stacji w Holandii i 14 stacji międzynarodowych rozsianych po całej Europie, przy czym najbardziej odległe są od siebie oddalone o prawie 2000 kilometrów, tworząc jeden z największych, najbardziej czułych i precyzyjnych radioteleskopów na świecie. W Polsce działają trzy stacje interferometru LOFAR: w Borówcu koło Poznania, należąca do Centrum Badań Kosmicznych, w Bałdach koło Olsztyna, której właścicielem jest Uniwersytet Warmińsko-Mazurski oraz w Łazach koło Bochni, należąca do Uniwersytetu Jagiellońskiego – wyjaśnia prof. Marek Jamrozy z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Opublikowane dane są wynikiem ponad dziesięciu lat obserwacji, przetworzenia ogromnej ilości danych i wnikliwych analiz naukowych przeprowadzonych przez międzynarodowy zespół badawczy – dodaje dr Timothy Shimwell, główny autor publikacji, astronom z Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON) w Holandii.
Przetwarzanie danych obserwacyjnych wymagało opracowania nowych technik, które precyzyjnie poprawiały poważne zniekształcenia sygnałów radiowych spowodowane przez obecność górnej warstwy atmosfery zawierającej naładowane cząstki - jonosfery Ziemi. By przetworzenie 13 000 godzin obserwacji było możliwe, analiza danych musiała zostać oparta na wydajnej automatyzacji i optymalizacji. Skala wyzwań związanych z oprogramowaniem była ogromna. Projektowanie i optymalizacja algorytmów zajęły lata, ale teraz pozwalają nam one rutynowo uzyskiwać niezwykle ostre i szczegółowe obrazy nieba w zakresie fal radiowych o niskiej częstotliwości. Dane o dużej rozdzielczości czasowej pozwalają również na poszukiwanie zmiennych w czasie sygnałów generowanych przez gwiazdy posiadające planety. Ilość danych – łącznie 18,6 petabajtów – była ogromna i wymagała ciągłego przetwarzania i monitorowania, wykorzystując przez wiele lat ponad 20 milionów godzin pracy procesorów.
W badaniach nad przeglądem uczestniczyli liczni Polscy astronomowie: z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu.
Jak zatem wyglądałoby dla nas radiowe niebo – gdyby nasze oczy były polami anten LOFAR?
Na tym zdjęciu z przeglądu nieba LoTTS DR3 dominują radiogalaktyki N315 i N383 ze spektakularnymi, skręconymi dżetami napędzanymi przez centralne supermasywne czarne dziury w ich wnętrzach. Znajdują się w odległości około 223 i 209 milionów lat świetlnych od nas i wyróżniają na tle setek znacznie bardziej odległych radiogalaktyk, widocznych tu jako słabe punkty emisji. Źródło: LOFAR surveys collaboration.
W tym przypadku LOFAR spogląda w głąb naszej Galaktyki w kierunku konstelacji Orła, gdzie eksplodowało wiele masywnych gwiazd. Widoczna jest duża Mgławica Manatee (na dole po prawej) i wiele innych pozostałości po supernowych, przypominających bańki. Za nimi znajduje się tło odległych radiogalaktyk, widocznych jako słabe punkty. Źródło: LOFAR surveys collaboration.
Niebo obserwowane przez LOFAR – od słynnej galaktyki Andromedy (M31, na górze) po NGC 315 i NGC 383. Obraz obejmuje część konstelacji Andromedy i Ryb, zajmując obszar około 15 stopni kwadratowych – to mniej więcej tyle, ile wynosi rozpiętość dłoni wyciągniętej na długość ramienia. Źródło: LOFAR surveys collaboration.
Czytaj więcej:
