Przejdź do treści

Największa nowość w radioastronomii? ALMA!

Wysoko w górach Chile znajduje się pustynia rodem z innego świata. To miejsce lokalizacji sieci 66 radioteleskopów ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Rejestrują one te fale radiowe, które pozostają wciąż niedostępne dla innych instrumentów.

Mniej więcej trzy dekady temu grupa radioastronomów i czołowych konstruktorów teleskopów zebrała się razem, by omówić możliwości w zakresie budowy sieci anten zdolnej do badań najdalszych, najchłodniejszych i najciemniejszych miejsc we Wszechświecie. W roku 2014 marzenie to stało się rzeczywistością - budowa interferometru radiowego ALMA została ukończona. Dla wielu to skok w astronomii porównywalny z pierwszą konstrukcją teleskopu optycznego Galileusza.

Anteny ALMA są niezwykle zaawansowane. Mogą przetrwać silne burze i wiatry dochodzące do prędkości 160 km/h, a przy tym potrafią poruszać się tak szybko, jak trakcyjne pociski rakietowe. To nie wszystko. Ich powierzchnie nie mogą odkształcać się silniej niż o jedną trzecią grubości ludzkiego włosa. Zastosowana w detektorach i antenach elektronika nie ma przy tym prawa dodawać do odbieranego sygnału żadnych zakłóceń. Anteny transportowane są pomiędzy swym miejscem docelowym a punktem serwisowania przez specjalnie zaprojektowane w tym celu samochody-platformy. Pozwala to przenosić je w bezpieczny sposób przez kilometry pustyni bez utraty mocy ich odbiorników kriogenicznych. A całością sieci interferometrycznej zawiaduje superkomputer zdolny do wykonywania 17 miliardów operacji na sekundę.

Zbudowanie sieci ALMA wymagało utworzenia największego na świecie partnerstwa w dziedzinie konstrukcji teleskopowych - międzynarodowej współpracy pomiędzy Ameryką Północną, Europą, Azją Wschodnią i Chile. W celu postawienia i uruchomienia tego złożonego i zarazem najbardziej nowoczesnego instrumentu wydano 1,3 miliardów dolarów.

Dlaczego w ogóle zdecydowano się na sieć anten? Radioteleskopy zbierają fale o długości od ułamków milimetra do kilkuset metrów. Widoczne fale świetlne mają z kolei długości dużo mniejsze - nanometrowe. Wielkość anteny odpowiada możliwości teleskopu radiowego w zakresie obrazowania obiektów na niebie. Aby móc zebrać i wystarczająco dużo skupionych fal radiowych pochodzących od odległych lub słabych, anteny muszą być bardzo duże. Jednak ziemska siła grawitacji ogranicza wielkość pojedynczego radioteleskopu - ogromną, trwałą i stabilną antenę trudno jest po prostu zbudować. Zamiast tego wykorzystuje się zjawisko interferometrii fal radiowych. Interferometry to zwykle konfigurowalne układy anten, zapewniające maksymalne wzmocnienie odbieranego przez nie wspólnie sygnału. Specjalne komputery łączą ze sobą informacje odbierane przez poszczególne anteny sieci - czasem oddalone od siebie nawet o kilkadziesiąt kilometrów - by ostatecznie utworzyć obrazy nieba widziane z wielu różnych perspektyw. Im dalej są dwie anteny, tym większa jest zdolność rozdzielcza ich wspólnych obserwacji. Ta przełomowa technika znana jest dziś jako "synteza apertury", a jej pionierem był laureat nagrody Nobla, Sir Martin Ryle.

66 anten ALMA ustawiono tak, że maksymalna odległość pomiędzy skrajnymi elementami sieci może wynosić 16 kilometrów. Daje to dziesięciokrotność zdolności rozdzielczej Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przy obserwacjach sieci ALMA prowadzonych na najniższej dostępnej długości fali. Jednak w przeciwieństwie do optycznych teleskopów takich jak HST ALMA musi jeszcze przetwarzać światło odbierane jako fale. Powierzchnia każdej z jej anteny została dokładnie przygotowana tak, by móc precyzyjnie odbijać fale świetlne o długości zaledwie 400 mikrometrów - czyli dziennego przyrostu przeciętnego ludzkiego włosa. Oznacza to, że gdyby na czaszy anteny pojawiła się nierówność rzędu jednej trzeciej średnicy ludzkiego włosa, fale byłyby na niej rozpraszane i naukowcy nie mogliby odebrać właściwego sygnału! Fale submilimetrowe trafiają w odbiorniki anten z tak dużą częstotliwością, że nie byłby ich w stanie przetworzyć żaden współczesny komputer. Problem ten rozwiązano poprzez dodanie (zmiksowanie) z odbieranym sygnałem dłuższej fali nośnej. Aby mieć pewność, że zaawansowane moduły elektroniczne nie wprowadzą do danych żadnego sztucznego szumu generowanego w samym instrumencie, inżynierowie skonstruowali specjalne, mikroskopowe miksery chłodzone ciekłym helem.

ALMA została zbudowana w położonym na dużej wysokości miasteczku na pustyni Atakama w północnym Chile. Tam wszystkie anteny przechodzą pierwsze testy. Po zakończeniu dodatkowych badań inżynierów są one następnie transportowane jeszcze dalej i wyżej w Andy - do tak zwanego stanowiska obserwacyjnego Chajnantor Plain. Razem wszystkie 66 anten połączonych w interferometr będzie zbierać tyle samo fal, co jeden gigantyczny, hipotetyczny radioteleskop o powierzchni czaszy 5,650 metrów kwadratowych.
Chajnantor Plain leży na wysokości 5,030 metrów n.p.m. i jest niezwykłym miejscem otoczonym przez pierścień wygasłych wulkanów. Jest tam zbyt wysoko i zbyt sucho dla roślinności - nie ma drzew i niemal żadnej zieleni. Jednak tak suchy klimat jest doskonały do precyzyjnych obserwacji submilimetrowych.

Oficjalna inauguracja sieci ALMA odbyła się w marcu 2013 roku. Instrument już wcześniej został “zasypany” ogromną ilością ciekawych projektów obserwacyjnych od naukowców z całego świata. Astronomowie zdają sobie sprawę, że to przełomowy teleskop - więc da się nim przeprowadzać przełomowe badania.
 
Przede wszystkim ALMA ma wgląd w to wszystko, co określane jest w astrofizyce jako chłodna materia - cząsteczki wolno poruszające się, o niewielkich energiach. To właśnie one “świecą” na falach milimetrowych i submilimetrowych, i są praktycznie niewidoczne dla teleskopu optycznego. Mogą to być obszary formowania się gwiazd - tak zwane gwiazdowe żłobki - lub chłodne obłoki molekularne. ALMA obserwuje więc dyski protoplanetarne i stara się wyjaśnić, w jaki sposób gwiazdy przestają rosnąć po wyczerpaniu się materiału i utworzeniu planet. W tym celu skierowano anteny ku młodej gwieździe HD 142527. Okazało się, że dwie towarzyszące jej planety krążą w dysku bogatym w materiał, a gaz i pył przepływają w tym układzie w zaskakujący sposób - od młodych planet ku macierzystej gwieździe.
 
ALMA pomaga też w badaniach składu materii, z której tworzą się gwiazdy i planety. Podczas niedawnych obserwacji dysku krążącego wokół młodej gwiazdy TW Hydrae ukazała geologom planetarnym położenie tak zwanej linii śniegu. Wokół tego młodego karła znaleziono wiele różnych molekuł, w tym tlenek węgla (CO) i diazenylium (N2H+). Występujący w obłoku molekularnym tlenek niszczy N2H+, zatem gdy ALMA odkryła w dysku otaczającym gwiazdę nieoczekiwana obfitość związku N2H+ w odległości około 4,8 miliarda km od gwiazdy, naukowcy zdali sobie sprawę, że tlenek węgla musiał tam zamarznąć na cząstkach kurzu, dzięki czemu a N2H+ zdołał uniknąć unicestwienia. To dobra wiadomość, bowiem drobiny pyłu spowite zamarzniętym CO mają naturalną tendencję do zlepiania się ze sobą i ostatecznie budowania dużo większych obiektów - w tym komet, planetoid i nowych planet typu skalistego.
 
Ale ALMA może też znajdować molekuły związane zwykle z występowaniem życia. Odkrycia tego typu są tak naprawdę głównym celem projektu i to właśnie te badania wymagały wysokiej rozdzielczości i czułości radioteleskopu. Niedawno odkryto dzięki temu sygnał świadczący o obecności prostego cukru - aldehydu glikolowego - w młodym układzie gwiazdowym IRAS 16293–422. Związek ten jest ważnym blokiem budulcowym kwasu RNA, bliskim “kuzynem” DNA, i głównym źródłem informacji genetycznej wewnątrz komórek życia na Ziemi. Molekuła ta została już wcześniej odkryta w Kosmosie przez radioteleskop z Green Bank, ale w obłoku molekularnym. Teraz mamy do czynienia z jej występowaniem wokół gwiazdy typu słonecznego, a więc najprawdopodobniej w miejscu, gdzie kiedyś powstaną planety.
 
Sieć ALMA jest też zdolna do wykrywania planet. I to nie byle jakich planet! Gdy skierowano ją na brązowego karła Rho Ophiuchi 102, słabą, chłodna gwiazdę, w której wnętrzu nie doszło do zapoczątkowania reakcji jądrowych, ujawniły się niespodziewane sygnały, które muszą pochodzić od dysku protoplanetarnego - i najprawdopodobniej właśnie teraz powstających planet. Jest więc szansa, że w niedalekiej przyszłości ALMA powtórzy sukces Teleskopu Keplera i przyniesie nam jeszcze więcej detekcji małych planet podobnych do Ziemi.
 
 
Czytaj więcej:
 
 
 
Źródło: astronomy.com,
 
Zdjęcie: gwiazdy połúdniowego nieba widoczne przez cienką atmosferę stanowiska obserwacyjnego anten ALMA.
Źródło: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)