Obrazy radiowe młodego Wszechświata

Międzynarodowy zespół astronomów, w którego składzie znajdują się także naukowcy z Polski, opublikował najdokładniejszą w historii mapę Wszechświata w zakresie niskich częstotliwości radiowych. Mapę stworzono dzięki europejskiej sieci odbiorników LOFAR. Naukowcy obserwowali wielokrotnie te same obszary nieba, by móc je następnie połączyć w jeden obraz o bardzo długiej ekspozycji. Dzięki temu na obrazie wykryto słabe poświaty radiowe od gwiazd, które eksplodowały jako supernowe w dziesiątkach tysięcy galaktyk, rozmieszczonych aż po najdalsze rejony Wszechświata. Specjalne wydanie czasopisma naukowego „Astronomy and Astrophysics” jest poświęcone czternastu pracom badawczym opisującym sposób powstania map i pierwsze wyniki naukowe. Znaczenie wyniku komentują współautorzy: dr hab. Katarzyna Małek z Zakładu Astrofizyki NCBJ i prof. dr hab. Krzysztof Chyży z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Komunikat zespołu autorów

Do tej pory radiowe obserwacje nieba w głównej mierze skupiały się na najjaśniejszej emisji, jaką możemy odebrać, czyli tej pochodzącej od masywnych czarnych dziur znajdujących się w centrum swoich galaktyk. Jednak obraz jaki powstał na niskich częstotliwościach radiowych dzięki obserwacjom LOFAR-a, jest tak głęboki, że większość obiektów na nim widocznych to galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna, których gwiazdy dopiero się tworzą. Połączenie bezprecedensowej czułości przeglądu LOFAR i jego dużego obszaru na niebie - około 300 razy większego niż Księżyc w pełni - pozwoliło na wykrycie dziesiątek tysięcy galaktyk podobnych do naszej Drogi Mlecznej i położonych nawet na krańcach Wszechświata, w momencie, gdy jeszcze się tworzyły.

Co więcej, powstawanie gwiazd zwykle zachodzi w chmurach pyłu, które w zakresie fal widzialnych przesłaniają nam widok. Tymczasem fale radiowe przenikają przez pył, dzięki czemu możemy uzyskać pełny obraz tworzenia się gwiazd w galaktykach. Bardzo dokładne obserwacje wykonane za pomocą instrumentu LOFAR umożliwiły precyzyjne wyznaczenie związku między jasnością galaktyk w zakresie fal radiowych, a tempem formowania się nowych gwiazd, a także pomogły w dokładniejszych ocenach liczby nowych gwiazd tworzących się w młodym Wszechświecie.

Ponadto, unikalny zbiór danych pochodzących z przeglądu LOFAR umożliwił przeprowadzenie szeregu innych badań naukowych, takich jak badanie emisji radiowej pochodzącej z masywnych czarnych dziur w kwazarach, czy też ze zderzeń olbrzymich gromad galaktyk. Analiza zebranych danych przyniosła również pewne zaskakujące rezultaty. Na przykład, powtarzane co pewien czas obserwacje fragmentu nieba pozwoliły na badanie źródeł o zmiennej jasności. Pozwoliło to m.in. na wykrycie czerwonego karła – gwiazdy CR Draconis. Gwiazda ta wykazuje wybuchy emisji radiowej, które bardzo przypominają te pochodzące z Jowisza i mogą być wywołane interakcją gwiazdy z nieznaną wcześniej planetą lub być wynikiem bardzo szybkiej rotacji gwiazdy.

Obrazy radiowe nieba uzyskuje się w wyniku przetworzenia ogromnej ilości danych. Aby stworzyć obrazy z LOFAR-a, połączono sygnały pochodzące z ponad 70 000 anten wchodzących w skład tego instrumentu, co dało ponad 4 petabajty surowych danych, czyli około miliona płyt DVD. Przetworzenie tej olbrzymiej ilości informacji i interpretacja uzyskanych obrazów możliwa była dzięki zastosowaniu najnowszych osiągnięć matematycznych z zakresu analizy danych.

Omawianymi badaniami kierował prof. Philip Best z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii, a wzięli w nich udział również polscy astronomowie: 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 i dr hab. Katarzyna Małek z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

LOFAR

Międzynarodowy Teleskop LOFAR (LOw Frequency ARray) to transeuropejska sieć anten radiowych, której centrum znajduje się w Exloo w Holandii. LOFAR został zaprojektowany, zbudowany i jest aktualnie obsługiwany przez ASTRON, Holenderski Instytut Radioastronomii. Francja, Irlandia, Łotwa, Holandia, Niemcy, Polska, Szwecja, Włochy i Zjednoczone Królestwo są krajami partnerskimi w konsorcjum Międzynarodowego Teleskopu LOFAR. Polskimi stacjami LOFAR-a kieruje grupa POLFARO, w skład której wchodzą właściciele 3 stacji: Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie – stacja Bałdy, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie – stacja Łazy, Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie – stacja Borówiec; oraz Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe w Poznaniu. Utrzymanie polskich stacji LOFAR-a finansowane jest przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.

Komentarze i wyjaśnienia polskich współautorów prac:

Dr hab. Katarzyna Małek, Zakład Astrofizyki NCBJ

Opublikowana mapa Wszechświata w zakresie radiowym pozwala między innymi na znacznie dokładniejszą analizę młodych obszarów gwiazdowych w galaktykach tworzących gwiazdy. Dzieki niej możemy sprawdzić czy obecne modele opisujące ewolucje galaktyk, opracowane bez dogłębnej znajomosci 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 bardziej precyzyjne opracowanie modeli ewolucyjnych i dzięki temu na lepsze opisanie młodego Wszechświata. Oczywiście pozwala także na poszukiwanie nowych, nieznanych dotąd obiektów astrofizycznych.

Niestety, mapa obejmuje jedynie część nieba północnego. Obszary obserwacji zostały wybrane w ten sposób, aby można je było jak najpełniej wykorzystać: wyselekcjonowano tak zwane głebokie pola na niebie północnym, które są bardzo dobrze znane astrononomom 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.

prof. dr hab. Krzysztof Chyży, Uniwersytet Jagielloński

W Polsce mamy trzy z 52 stacji LOFAR-a. Zostały one wybudowane w 2015 r. 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 programu dalszego rozwoju tego systemu – LOFAR 2.0. Głównym celem modernizacji będzie utrzymanie pozycji najlepszego na świecie interferometru radiowego niskich częstotliwości, przynajmniej przez najbliższą dekadę.

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 jakim 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.

Grafika

Załączone zdjęcie przedstawia najgłębszy obraz LOFAR-a, jaki kiedykolwiek wykonano, w rejonie nieba zwanym "Elais-N1". Jest to jeden z trzech obszarów badanych w ramach głębokich obserwacji radiowych nieba. Obraz uzyskano obserwując wielokrotnie ten sam fragment nieba przez łącznie 164 godziny. Wykryto na nim ponad 80 000 źródeł radiowych: wśród nich są obiekty o spektakularnie wyglądającej emisji wywołanej masywnymi czarnymi dziurami, ale większość źródeł to odległe galaktyki, podobne do naszej Drogi Mlecznej i wciąż tworzące swoje gwiazdy.

Dodatkowe informacje i materiały wizualne

Wideo pokazujące obserwacje LOFAR-a rejonu nieba znanego jako “Lockman Hole” https://www.youtube.com/watch?v=nGKEGVBXMxk

Dodatkowe informacje o przeglądach LOFAR-a można znaleźć na stronie www.lofar-surveys.org

Szereg obrazów i filmów o LOFARze można znaleźć na stronie www.lofar-surveys.org/gallery_preview.html

Wszystkie artykuły wchodzące w skład specjalnego wydania „Astronomy and Astrophysics” znajdują się tutaj: https://www.aanda.org/component/toc/?task=topic&id=1285