Opublikowano najdokładniejszą w historii mapę Wszechświata w zakresie niskich częstotliwości radiowych. Powstała dzięki przeglądowi nieba prowadzonemu przez radioteleskop LOFAR, którego trzy stacje znajdują się na terenie Polski. Udział w badaniach wzięli polscy astronomowie z kilku ośrodków.
Specjalne wydanie czasopisma naukowego „Astronomy and Astrophysics” jest poświęcone czternastu pracom badawczym opisującym sposób powstania map i pierwsze wyniki naukowe. Obrazy uzyskane dzięki sieci radioteleskopów LOFAR na niskich częstotliwościach radiowych są tak głębokie, że większość widocznych na nim obiektów to galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna, znajdujące się bardzo daleko i widoczne w momencie, gdy jeszcze się tworzyły.
Obserwacje na falach radiowych pozwalają zajrzeć do obszarów przesłoniętych w zakresie widzialnym przez pył, a z takimi sytuacjami mamy do czynienia w rejonach powstawania gwiazd. Dzięki nowym badaniom naukowcom udało się precyzyjnie wyznaczyć związek pomiędzy jasnością galaktyk w zakresie radiowym a tempem formowania się gwiazd. Dokonano też dokładniejszych ocen liczby nowych gwiazd tworzących się w młodym Wszechświecie.
Unikalny zbiór nowych danych pozwolił także na przeprowadzenie różnorodnych innych badań naukowych. Na przykład zbadano emisje z okolic masywnych czarnych dziur w kwazarach czy zderzenia galaktyk. Ponieważ obserwacje obszarów nieba były powtarzane co pewien czas, można było też badać zmienność niektórych źródeł. Dało to nieoczekiwane rezultaty.
Natrafiono na egzotyczną gwiazdę, czerwonego karła CR Draconis, u którego występują wybuchy emisji radiowej podobne do zachodzących na Jowiszu. Ich przyczyną mogą być oddziaływania tej gwiazdy z nieznaną planetą. Drugą możliwością jest ekstremalnie szybka rotacja gwiazdy.
Aby uzyskać radiowe obrazy nieba trzeba przetworzyć olbrzymie ilości danych. Opisywane mapy powstały dzięki połączeniu sygnałów od 70 tysięcy anten wchodzących radioteleskopu LOFAR, które dostarczyły łącznie ponad 4 petabajty surowych danych, co odpowiada pojemności około miliona płyt DVD. Obserwowany na niebie obszar był około 300 razy większy niż Księżyc w pełni.
Wyniki przeglądu głębokich pól w ramach LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) to efekt pracy międzynarodowego zespołu naukowców, którym kierował prof. Philip Best z University of Edinburgh (Wielka Brytania). W badaniach uczestniczyli także astronomowie z Polski: prof. Krzysztof Chyży, dr Arti Goyal, dr hab. Marek Jamrozy, dr Błażej Nikiel-Wroczyński z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie; dr hab. Magdalena Kunert-Bajraszewska, mgr Aleksandra Wołowska z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu; dr hab. Katarzyna Małek z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
International Low Frequency Array, w skrócie LOFAR, jest europejską siecią anten radiowych, której centrum znajduje się w Exloo w Holandii. Instrument został zaprojektowany, zbudowany i jest aktualnie obsługiwany przez ASTRON, Holenderski Instytut Radioastronomii. Krajami partnerskimi w projekcie są Francja, Irlandia, Łotwa, Holandia, Niemcy, Polska, Szwecja, Wielka Brytania i Włochy. Polskim udziałem kieruje grupa POLFARO, w skład której wchodzą Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie oraz Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe w Poznaniu. Utrzymanie polskich stacji LOFAR finansowane jest przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.
Centralne skupisko anten LOFAR w Exloo w Holandii. Źródło: LOFAR / ASTRON.
Radioteleskop LOFAR
Sposób działania sieci radioteleskopów LOFAR wyjaśnia prof. Krzysztof Chyży z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
W jaki sposób działa taki radioteleskop i jak uzyskuje się z niego obraz?
LOFAR pracuje jako interferometr radiowy. Sygnał z pojedynczej stacji (pola antenowego) jest zamieniany na dane cyfrowe, które przesyłane są online do superkomputera w Groningen (tzw. korelatora) i łączone z innymi sygnałami z pozostałych stacji. Ciekawostką w pracy LOFAR-a jest to, że jego anteny są nieruchome, nie jest możliwe ich obracanie czy przesuwanie jak w standardowych radioteleskopach. Wybór kierunku, w którym ma „patrzeć teleskop”, odbywa się softwarowo, poprzez odpowiednie korekty cyfrowego sygnału. Z tych danych przez tzw. transformatę Fouriera tworzy się radiową mapę (obraz) nieba.
To w skrócie, ale jest cały szereg kroków pośrednich, niestety czasochłonnych, od których zależy jakość uzyskiwanych na końcu map. Sygnały ze stacji zniekształcone są bowiem przez ziemskie zakłócenia, będące tworem naszej cywilizacji, jak różne urządzenia elektryczne czy nadajniki radiowe pracujące w zakresie fal FM i DAB. Specjalne cyfrowe filtry wyłapują te niechciane sygnały w danych LOFAR-a i je usuwają. Drugim źródłem problemów jest ziemska jonosfera, która na tych niskich częstotliwościach obserwacji zniekształca fazę i amplitudę dochodzących z kosmosu i przechodzących przez nią sygnałów radiowych. Wstępną metodą uwalniania się od wpływu jonosfery jest zastosowanie modelu jej własności, do czego służą dane uzyskiwane z satelitów GPS. To jednak nie wystarcza i konieczne jest zastosowanie specjalnych algorytmów wprowadzających korekty sygnałów zależne od kierunku na niebie i momentu obserwacji.
Jaką mamy w Polsce infrastrukturę sieci LOFAR?
W Polsce mamy trzy z 52 stacji LOFAR-a. Zostały one wybudowane w 2015 roku i pracują: w Łazach k/Bochni (stacja zarządzana przez Uniwersytet Jagielloński), Bałdach k/ Olsztyna (Uniwersytet Warmińsko-Mazurski) i Borówcu k/Poznania (Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie). Stacje połączone są szybkim 10GB dedykowanym łączem internetowym z centrum komputerowym LOFAR-a w Groningen, w Holandii, do którego w trybie ciągłym przekazywane są dane z obserwacji. Połączenie internetowe zapewnia Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe w Poznaniu poprzez sieć PIONIER.
Najwięcej, aż 38 stacji LOFAR-a, znajduje się w Holandii, a oprócz 3 polskich stacji 6 następnych znajduje się w Niemczech, a po jednej w Szwecji, Wielkiej Brytanii, Francji, Irlandii i na Łotwie. W budowie jest następna stacja we Włoszech. Wszystkie 52 stacje pracują jako jeden instrument obserwacyjny. Nasze stacje zostały wpisane na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej Ministerstwa Edukacji i Nauki, dzięki czemu będzie realizowany program dalszego rozwoju tego systemu – LOFAR 2.0. Głównym celem modernizacji będzie utrzymanie pozycji najlepszego na świecie interferometru radiowego niskich częstotliwości, przynajmniej przez najbliższą dekadę.
Przykłady źródeł rozciągłych w LoTSS Data Release 1. Obserwacje wykonano przy pomocy sieci radioteleskopów LOFAR. Źródło: LOFAR surveys team.
Wyniki przeglądu nieba LoTSS
Jakie wyniki uzyskano w ramach nowego przeglądu nieba oraz co daje nam taka mapa kosmosu tłumaczy dr hab. Katarzyna Małek z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
Co daje nam taka mapa Wszechświata?
Opublikowana mapa Wszechświata w zakresie radiowym pozwala między innymi na znacznie dokładniejszą analizę młodych obszarów gwiazdowych w galaktykach tworzących gwiazdy. Dzięki niej możemy sprawdzić, czy obecne modele opisujące ewolucje galaktyk, opracowane bez dogłębnej znajomości ich właściwości fizycznych w zakresie radiowym, są wystarczająco dokładne i przewidują tempo tworzenia się nowych gwiazd na poziomie zaobserwowanym przez LOFAR. Równocześnie mapa ta pozwala na precyzyjniejsze opracowanie modeli ewolucyjnych i dzięki temu opisanie młodego Wszechświata. Oczywiście pozwala także na poszukiwanie nowych, nieznanych dotąd obiektów astrofizycznych.
Czy mapa obejmuje całe niebo? Jak wybrano, które pola obserwować?
Niestety nie. Mapa obejmuje jedynie część nieba północnego. Obszary obserwacji zostały wybrane w ten sposób, aby można je było jak najpełniej wykorzystać: wyselekcjonowano tzw. głębokie pola na niebie północnym, które są bardzo dobrze znane astronomom i były obserwowane w wielu różnych zakresach widma: głównie od ultrafioletu po daleką podczerwień.
Dodatkowo dla wielu galaktyk z tych obszarów zostały wykonane wcześniej obserwacje linii widmowych, pozwalające na analizę ich składu chemicznego. Dodanie do tego zestawu danych informacji o charakterystyce w zakresie fal radiowych dopełni naszą wiedzę i pozwoli na wyjątkowo szczegółową analizę i weryfikację istniejących modeli, a może także na opracowanie nowych. Dodatkowo same obserwacje radiowe nie pozwalają na wyznaczenie odległości do danego obiektu, dlatego wcześniejsze obserwacje wykonane innymi instrumentami są niezwykle istotne.
Wśród wyników są m.in. oszacowania gwiazdowej masy dla galaktyk aktywnych. Jak się tę wartość wyznacza i po co jest potrzebna?
Masa gwiazdowa jest podstawowym parametrem fizycznym galaktyki, pozwalającym na szacowanie kolejnych wielkości charakterystycznych. Dodatkowa znajomość tempa tworzenia się gwiazd pozwala na jej wstępną klasyfikację na ścieżkach ewolucyjnych.
Masy gwiazdowe galaktyk wyznaczane są za pomocą modelowania ich widm energetycznych na podstawie obserwacji fotometrycznych w zakresie optycznym, w którym widoczne są starsze gwiazdy oraz ultrafioletowym, w którym obserwujemy młode populacje gwiazdowe. Podstawowym założeniem metody modelowania jest rekonstrukcja emisji pochodzącej z gwiazd znajdujących się w galaktyce i porównanie jej z istniejącymi modelami. Dodanie do tej analizy informacji z zakresu radiowego pozwoli na dokładniejsze wyznaczenie masy bardzo młodych gwiazd.
Obrazy radiogalaktyk z głębokiego pola Elais-N1. Po lewej zdjęcie w zakresie widzialnym z SDSS, a po prawej nałożony na nie obraz radiowy z LOFAR/LoTSS. Źródło: Cyril Tasse oraz LOFAR surveys team.
Więcej informacji:
- Ultra-sensitive radio images reveal thousands of star-forming galaxies in early Universe
- LoTSS Deep fields DR1
- Strona internetowa przeglądów nieba radioteleskopem LOFAR
- Lista publikacji naukowych ze specjalnego wydania "Astronomy & Astrophysics"
- Więcej zdjęć z przeglądów nieba teleskopem LOFAR
Opracowanie: Krzysztof Czart
Źródło: LOFAR
Na zdjęciu na samej górze:
Najgłębszy obraz z sieci LOFAR, jaki kiedykolwiek wykonano. Pokazuje rejonie nieba zwany „Elais-N1”, który obserwowano łącznie przez 164 godziny, wykrywając w nim ponad 80 tysięcy źródeł radiowych. Źródło: Philip Best & Jose Sabater, University of Edinburgh.
