Ples Kosmosa na radio talasima

Podeli :
  •  
  •  
  •  
  •  

radio-waves-aAstronomska istraživanja danas su zasnovana na brojnim naučnim kolaboracijama koje se prave kako bi se što efikasnije i finansijski prihvatljivije koristili najskuplji svetski teleskopi. Počevši od sedamdesetih godina prošlog veka i ere prvih velikih svemirskih opservatorija namenjenih za snimanje onog spektra zračenja koji nije dostupan posmatranjima sa Zemlje (X-zraci, gama-zraci, infracrveno zračenje), pa sve do najnovijih optičkih teleskopa, nijedna oblast posmatračke astronomije nije bila u tolikoj ekspanziji kao što je to slučaj sa radio astronomijom. Radio astronomi danas pomalo u šali kažu da je konačno došlo vreme da se Svemir istražuje tanjirima i žicama. Da bismo shvatili u potpunosti njihovu tvrdnju, treba da naučimo više o tome kako funkcionišu radio teleskopi.

Šta je radio astronomija?

Radio teleskop je ništa drugo do tanjirasta (parabolična) antena spojena sa nekoliko elektronskih komponenti. Dovoljno je da imate čime da primite radio signal i da ga sprovedete u računar koji će vam omogućiti kasniju analizu i stvaranje slike onoga što ste snimali (radio mapa) i astronomsko zadovoljstvo može da počne. S obzirom da samo jednom radio antenom ne možemo da istražujemo najdetaljnije strukture u dalekom Kosmosu, ma koliko ta antena bila velika (najveći jednoantenski teleskop je Arecibo u Portoriku, prečnika čak 300m), moderna kosmologija je postavila zahtev da se naprave interferometri – sistemi koji povezuju nekoliko desetina, pa čak i stotina radio antena tako da njihov odziv funkcioniše kao jedan veliki teleskop. Danas je pomenuti pristup neophodan zbog toga što najskrivenije i najtamnije galaksije na radio nebu čine veliki deo neispitane populacije koja doseže daleko u prošlost Svemira. Njihovo otkrivanje moglo bi da nam da odgovore na mnoga ključna astronomska pitanja kao što su: Kako su galaksije evoluirale od vremena svog nastanka do danas? Da li su lokalni galaktički sistemi identični kao i oni na velikim rastojanjima (crvenim pomacima), ili se razlikuju po fizičkim svojstvima? Kakvo je poreklo prašine i gasa u Univerzumu? Gde počinju da se dešavaju prva galaktička protojata? Kako evoluira tamna materija?

Radio astronomija – sadašnjost i bliska budućnost

Postoji nekoliko važnih razloga zašto je radio astronomija trenutno početna tačka najvećih naučnih udruživanja i okupljanja timova koji koriste radio teleskope širom sveta. Mnoge stvari koje se dešavaju u Kosmosu sakrivene su od naših očiju. Galaktička prašina je posebno otežavajući element koji sprečava optičke uređaje da direktno snime centralne delove galaksija, tako da istraživači moraju da pribegnu drugačijim metodama. Radio talasi predstavljaju elektromagnetne talase najmanje energije, a njihova dužina kreće se od nekoliko centimetara do nekoliko desetina metara. Na taj način, spektralni “prozor” koji nam radio teleskopi otvaraju u Svemiru, daje nam mogućnost da posmatramo zračenja sa frekvencijama između nekoliko MHz pa sve do nekoliko desetina GHz. Naučna primena interferometarskih radio teleskopa je nemerljivo velika – oni pružaju podršku da se, bez obzira na vremenske prilike, posmatraju golim okom nevidljivi delovi Svemira, poput međugalaktičkog gasa, centara galaksija i mesta intenzivnog stvaranja novih zvezda. I sve to sa višestruko povećanom rezolucijom u odnosu na bilo koji drugi teleskopski sistem na Zemlji.

Zemlje koje prednjače u razvoju tehnologija za radio interferometarske oblasti danas su Holandija, SAD i Australija. Upravo su te tri države odgovorne za skorašnje ideje o velikim interferometrima koji će pomoći da se obave do sada najdublja posmatranja na milimetarskom (teleskop ALMA u Čileu) i centimetarskom delu neba (SKA teleskop u Australiji i Južnoj Africi).

01ALMA (Atacama Large Millimeter Array) najprecizniji je operativni teleskop današnjice za snimanje Svemira u milimetarskom režimu. S obzirom da zračenje u tom delu spektra potiče od prašine, ALMA je ključni tragač za onim objektima koji prašinu stvaraju u velikim količinama. Pre svega su to galaksije sa ogromnim rezervoarima gasa i potencijalno velikim brojem novostvorenih zvezda. Osim toga, ALMA je uključena i u projekte koji se bave vansolarnim planetama ili detekcijom organskih molekula van Zemlje. Sačinjena je od 66 paraboličnih teleskopa koji se nalaze na nadmorskoj visini od 5000m, u pustinjskom delu Južne Amerike, iz razloga da izbegne uticaje koji bi mogli da ometaju signal (mobilni telefoni, radari, TV tehnika itd.). Kako razmaci između antena mogu da se menjaju od 150m pa do 16km, razdvojna moć ovog teleskopa može da se podesi u odnosu na cilj istraživanja i daljinu objekta.

I dok je na svečanoj ceremoniji u Čileu prošle godine i zvanično u rad pušten trenutno najprecizniji sistem teleskopa na Zemlji, na drugom kraju sveta, u Australiji, vredno se radi na konstrukciji budućeg čuda tehnike – radio teleskopa koji će pomeriti sve dosadašnje granice posmatračke astronomije. Njegovo ime je SKA.

02aSKA (Square Kilometer Array) je budući najprecizniji radio teleskop, namenjen snimanju najdaljih i najtamnijih delova Svemira. Teleskopi koji budu činili ovaj interferometar biće razdvojeni i po nekoliko hiljada kilometara. Novina u tehnologiji je da će vidljivo polje biti mnogo veće od onih koja se trenutno koriste na zemaljskim teleskopima, omogućavajući simultana posmatranja sa mnogo bržom pretragom nego što je to slučaj danas. Ambiciozan projekat koji će koštati oko 3 milijarde dolara, urađen je po nacrtu astronomskih instituta u Holandiji i Australiji. Njega će činiti sistem radio antena raspoređenih na više od tri hiljade kilometara, i zajedno sa drugim baznim stanicama koje se nalaze u Južnoj Africi i Novom Zelandu, predstavljaće najveći detektor na našoj planeti. Frekventni opseg teleskopa će biti od 50 MHz do 14 GHz. Taj podatak može da nam otkrije pregršt važnih stvari – najosnovnija od njih je vrsta radio zračenja koje će biti “ulovljena” teleskopom. Ukoliko se posmatra na nižim frekvencijama, dominantan mehanizam koji stvara radio zračenje je obrtanje elektrona u magnetnom polju (na primer, prilikom eksplozije supernove dešavaju se uslovi odgovorni za takvo zračenje koje se naziva sinhrotrono). Ukoliko se, pak, pomerimo ka većim radio frekvencijama (iznad nekoliko GHz), magnetno polje i obrtanje elektrona biće potčinjeni drugačijem mehanizmu zračenja – toplotnom zračenju koje potiče od emisije prašine. Jedan jedini piksel na ekranu astronoma koji analizira podatke otvoriće mogućnost da se izmeri energija emitovanog tela, što daje odgovor na pitanje kakvi fizički uslovi vladaju u snimljenoj galaksiji/zvezdi/planeti/jatu.

Kada bude završena njena izgradnja, SKA oblast će po svojoj razdvojnoj teleskopskoj moći prevazići rezoluciju čuvenog Habl (Hubble) teleskopa. Postoji nekoliko faza koje je potrebno da se realizuju da bi se kompletan plan vezan za SKA teleskop ostvario – počevši od tehničkih detalja, pa do obrade podataka sa teleskopa koji su izabrani da budu “izviđači”, tj. tragači onih delova neba koje će SKA detaljno snimati kada bude potpuno operativan. Najvažniji od tih “izviđačkih” uređaja nalazi se (ne treba da vas čudi) u Holandiji.

Razvoj astronomije u zemlji kao što je Holandija nije prepuštan slučaju. Od najstarijeg tehničkog radio teleskopa na svetu Dvingelo (Dwingeloo), nedavno obnovljenog radio giganta Vesterbork (Westerbork) kojil čine 14 antena od po 25 metara, pa sve do SKA prethodnika koji se zove LOFAR (Low Frequency Array) – trenutno najpreciznijeg radio teleskopa za niske frekvencije ispod 200MHz, Holandija je uvek nalazila način da spoji svoje dve toliko karakteristične osobine u razvoju tehnike i nauke: konkretnost i štedljivost. Više od 60 godina star radio-teleskop u Dvingelou danas koriste amateri i srednjoškolci prema specijalnom ugovoru sa Univerzitetom, dok Vesterbork teleskop služi kao odlična podrška za predstojeća LOFAR posmatranja. On je po svojim kapacitetima i dalje jedan od najkorisnijih u Evropi iako je star skoro 40 godina. A da ne bi plaćali popravke, softversku podršku ili pak razvoj skupocenih stakala za buduće kosmičke misije, osnovan je institut ASTRON koji vrši svaki vid uslsuga u instrumentaciji i superprocesiranju podataka.

LOFAR spada u tzv. dipolne interferometre koji povezuju više dipolnih antena koje u kombinaciji sa baznim stanicama rade kao jedan sinhroni sistem. Stanice se nalaze se još i u Nemačkoj, Poljskoj, Švedskoj i Engleskoj. Na taj način LOFAR savršeno simulira ono što će SKA predstavljati u budućnosti. Razvoj softvera za tako kompleksan sistem svakodnevno donosi nove rezultate i rešenja, a sve sa ciljem da podaci pre svog finalnog obrađivanja imaju što manje veštačkih artefakta koji potiču od nesavršenosti konstrukcije anatena, do razmaka između susednih stanica ili jonosferskih poremećaja koji mogu da promene faze radio talasa i izazovu velike probleme pri pravljenju preciznih radio mapa.

S obzirom da radio zračenje iz dalekog svemira može da izgubi puno na svojoj fazi i tokom putovanja kroz međugalaktički prostor, potrebno je kombinovati teleskope na različitim talasnim dužinama kako bi slika o nekom snimljenom objektu bila što realnija. U slučaju istraživanja dalekih galaksija,ti dodatni teleskopi su uglavnom opservatorije koje se nalaze van planete Zemlje – najnoviji primer su svemirske opservatorije HERSCHEL i PLANCK, sa kojih dobijamo podatke o zračenju prašine u okolnom svemiru, odnosno mikrotalasnom zračenju kosmičke pozadine.

03Nauka na radio talasima

Istraživački potencijal koji nam daju ALMA, SKA i ostali veliki radio teleskopi, podeljen je u dve velike grupe: efekti gravitacije i evolucija galaksija.

Gravitacija i gravitacioni talasi

Mogli bismo reći da, iako se veliki i skupi projekti odvijaju širom sveta, neka fundamentalna pitanja i dalje ostaju bez odgovora. Jedno od njih je problem gravitacije. Iako još od ranog detinjstva saznajemo (empirijski) da je ona prisutna, i iako je njenu osnovnu formulaciju Isak Njutn objavio pre skoro 400 godina, naučnici još uvek tragaju za odgovorom na pitanje ko prenosi tu silu i da li je gravitacioni talas moguće nekako detektovati? Sa druge strane, ništa manja misterija nije ni potraga za inicijalnim uslovima iz kojih se dogodio Veliki prasak. Kombinacija ova dva velika kosmološka pitanja zato se čini još komplikovanijim problemom. LOFAR i PLANCK teleskop, koji je lansirala Evropska svemirska agencija (ESA), zajedno sa SKA sistemom, ispitivaće razne gravitacione fenomene u budućnosti – limite teorije relativnosti, prostor-vreme oko objekata koji najviše zakrivljuju prostor-vremenski kontinuum (crne rupe), pa sve do gravitacionih talasa.

 

Kada se uradi ekstrapolacija (predviđanje ponašanja sistema na osnovu poznatih podataka) od današnjeg ka prošlom kosmičkom vremenu, Ajnštajnova teorija relativnosti navodi nas na zaključak da su u nekom vremenskom trenutku daleke prošlosti (najnovija merenja sugerišu da su to bilo pre 13.772 milijardi godina) temperatura i gustina bile beskonačno velike. Ako se malo prisetimo matematike iz srednje škole, zaključićemo da je sa tako velikim (infinitnim) vrednostima nemoguće definisati neku funkciju. Drugim rečima, opšta teorija relativnosti u takvoj sredini prestaje da bude važeća. Od tog momenta, primat preuzimaju kvantni efekti koji su trajali svega manje od milijarditih delova sekundi! Bez obzira na tako sićušnu vrednost, ono što mislimo da se izdešavalo u tom deliću vremena zapravo čini osnov svega ostalog što danas posmatramo u Kosmosu.

 

U kontekstu fizike čestica, najvažnija stvar koju Ajnštajnova opšta relativnost predviđa jesu upravo gravitacioni talasi. Oni nastaju u procesima koji sadrže intenzivno oscilovanje prostor-vremena, na primer stapanje centara galaksija ili pak dvojnih sistema kompaktnih kosmičkih objekata (crne rupe, neutronske zvezde). Međutim, da bi se i direktno pronašli i detektovali gravitacioni talasi, potrebni su mnogo moćniji teleskopski sistemi. I pomalo sreće. Problem je šum koji Svemir poseduje i koji mnogo jače zrači od gravitacionog šuma. Otprilike, efekat je isti kao kada biste stajali u centru najprometnije ulice u Beogradu i pevali tihu pesmu očekujući da vas čuje neko u Novom Sadu. Takođe, još mnogo drugih efekata otežava merenja, poput galaktičke prašine ili zračenja jakih radio-galaksija. Efekat koji su naučnici detektovali u ovom slučaju je jedinstvena osobina gravitacionih talasa – da “skupe” Univerzum u jednom pravcu tako da izgleda topliji na datoj mapi, a u drugom smeru da razvuku prostor, što na mapi oslikavaju hladnija mesta. Teorija inflacije, koja se često pominje u medijima kao odgovorna za takvo ponašanje, predviđa da su upravo gravitacioni talasi krivac zašto je došlo do polarizacije. Teškoća u analizi ovakvih efekata je ogromna jer se radi o razlikama u temperaturi manjim od sto hiljaditog dela Kelvina!

 

Galaksije

Istraživanje na niskim radio frekvencijama neophodno je jer obezbeđuje detekciju i analizu prve epohe u razvoju struktura našeg Univerzuma. U astronomiji je ta epoha poznata pod imenom “Epoha rejonizacije”, zbog toga što je neutralni vodonični gas ponovo počeo da se jonizuje i kasnije stvara prve strukture u Vasioni, poput zvezda i galaskija. Takođe, to razdoblje nam može dati i odgovore na pitanja o uticaju prvih supermasivnih crnih rupa na međugalaktička okruženja u ranom Svemiru. Sve se to dešavalo oko 380 miliona godina nakon Velikog praska, tako da se lako može zaključiti koliko će rezultati sa SKA i ALMA teleskopa, u kombinaciji sa LOFAR-om, biti veliki prodor u konstruisanju detaljne slike o Univerzumu i evoluciji nebeskih tela u njemu. Ono što odlikuje stanje Svemira u tom najranijem “strukturnom” vremenskom periodu jeste dodatni fazni prelaz (nakon već jednog koji se odigrao prilikom inflatornog širenja), takav da gas koji ga ispunjava ponovo dobije osobine pobuđenog stanja usled zračenja prvih kvazara i zvezda. Današnja slika barionske (vidljive) strukture na velikoj skali potiče upravo od zbivanja koja su zadesila Vasionu pre više od 13 milijardi godina.

Postoji nekoliko metoda kojima bi moćnim radio teleskopima mogli da „hvatamo“ te važne i daleke procese. Najrasprostranjeniji je svakako mapiranje zračenja atomskog vodonika. Vodonik ima važan zabranjen prelaz elektrona zbog svoje „hiperfine“ strukture, i kada se taj prelaz konačno dogodi, zbog malog rastojanja između energetskih nivoa, on izbacuje slabašni foton talasne dužine 21 cm, a to je upravo domen radio-talasa. Naravno, zbog ogromnog rastojanja između nas i izvora koji posmatramo, taj talas će danas biti uočen na još većim talasnim dužinama, ali će i dalje biti dovoljno precizan pokazatelj kako su se formirale strukture blizu rejonizacione epohe. Drugi metod je da se posmatraju regioni vrlo intenzivnog formiranja zvezda. Prednost ovakvog pristupa je izbegavanje „lokalnih zagađivača“ signala, kao što su zračenja galaksija i vangalaktičkih izvora.

Uz dostupnost tako preciznih podataka, naučnici će izvršiti pažljivo poređenje kompjuterskih simulacija i posmatračkih baza kako bi se razjasnilo ponašanje regiona sa malom i velikom gustinom gasa, odnosno – napokon ćemo biti bliži odgonetanju zagonetke koja glasi: „Kako se ponašao Kosmos dok nije napunio milijardu godina?“

 

OBJAŠNJENJA UZ SLIKE:

slika 01: ALMA interferometar, centralno jezgro (Čile, Čajnantor oblast, 4670m nadmorske visine) (kredit: www.eso.org)

slika 02: SKA teleskop, umetnički prikaz budućeg dela u kojem će biti smeštene parabolične antene (kredit: https://www.skatelescope.org/)

slika 03: Snimak kosmičke mikrotalasne pozadine teleskopom PLANCK. Razlike u bojama označavaju male razlike u temperaturi pozadinskog zračenja zaostalog od vremena Velikog praska. Bela kontura je oblast koju je istraživao tim okupljen oko projekta BICEP-2, koji je inicijalno objavio otkriće gravitacionih talasa prošle godine. Nažalost, naknadnom analizom procenjeno je da signal koji je detektovan ne potiče od gravitacionih talasa. (kredit: ESA/PLANCK collaboration)

slika 04: Snimak centra galaksije NGC 253 u infracrvenom delu spektra (levo) i novi snimak hladnog gasa u milimetarskom spektru (ALMA, desno). Po prvi put naučnici mogu da direktno prate izbacivanje hladnog gasa iz centara galaksija za koje se smatra da proizvode enormno velike količine zvezda (tzv. starburst galaksije). Takav pristup omogućava da se prati koliko su stare galaksije bile različite u odnosu na današnje. (kredit:www.nature.com)

Piše: Darko Donevski

Podeli :
Share on Facebook0Tweet about this on TwitterShare on Google+0Share on LinkedIn0Email this to someone

Podeli :
  •  
  •  
  •  
  •