Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 27 – vyšlo 25. července, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

27/2014

Vylepšení sítě radioteleskopů ALMA

Jiří Hofman

Evropská jižní observatořESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. za významného přispění svých partnerů výrazně vylepšila svou radioastronomickou observatoř ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu. (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) umístěnou v severním Chile. Srdcem observatoře je superpočítačový korelátor, který kombinuje signály z jednotlivých antén. Korelátor nyní dostal nové extrémně přesně atomové hodiny, které umožní propojení sítě radioteleskopů ALMA s dalšími radioastronomickými observatořemi po celém světě technikou VLBIVLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS. (Very Long Baseline Interferometry). Vznikne tak unikátní virtuální radioteleskop, jehož náplní bude celoplanetární projekt EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. (Event Horizon Telescope, Dalekohled horizontu událostí). Cílem tohoto ambiciózního projektu je detailní pozorování objektů v těsné blízkosti velmi hmotné černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. (radiový zdroj Sgr A*) sídlící ve středu naší Mléčné dráhy, případně ještě obludnější černé díry v centru galaxie M87.

ALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu. Atomové hodiny – hodiny, jejichž základním řídícím cyklem je frekvence vyzařovaná atomem při nějakém známém přechodu mezi jeho energetickými stavy. Běžná přesnost takových hodin je dnes asi 10−9 s za den. Nejlepší atomové hodiny pracují při teplotách blízkých absolutní nule. Ty mohou dosahovat až fascinující přesnosti desetiny sekundy za dobu, co existuje vesmír. EHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. Horizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963. Sgr A* – Sagittarius A*, jasný a relativně malý rádiový zdroj v centru naší Mléčné dráhy, vzdálený cca 26 000 světelných roků. Podle pozorování jde o velmi hmotnou černou díru o hmotnosti čtyř milionů Sluncí. Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. M87 – NGC 4486, velmi aktivní obří eliptická galaxie v souhvězdí Panny, 53,5 milionu světelných roků daleko. V jejím středu sídlí černá díra o hmotnosti 7 miliard Sluncí. MASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě. Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem). V roce 2012 byl zkonstruován pulzní a v roce 2018 kontinuální maser, který pracuje za pokojové teploty bez nutnosti magnetického stínění a bez použití vnějšího magnetického pole. VLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS.

Samotná ALMA pracuje jako interferometr. Aby se mohla do projektu EHTEHT – Event Horizont Telescope, spojení osmi radioteleskopů a jejich polí do celosvětového přístroje. Projekt pochází z roku 2012 a v roce 2019 poprvé vyfotografoval bezprostřední okolí černé díry v centru galaxie M87. Součástí jsou tyto přístroje: ALMA (Atacama Large Millimeter Array), APEX (Atacama Pathfinder EXperiment), SPT (South Pole Telescope), JCMT (James Clerk Maxwell Telscope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope) a třicetimetrový radioteleskop IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) na Pico Veleta. zapojit, musí se její antény sfázovat. To umožní signály z jednotlivých antén sečíst. Výsledný signál bude odpovídat radioteleskopu o průměru 85 metrů. Sfázování antén observatoře ALMA obstarají nové obvody korelátoru, které jsou v současné době připravovány v laboratoři NRAONRAO – National Radio Astronomy Observatory, staví a spravuje největší radioteleskopy současnosti. Pod správu NRAO patří radioteleskop v Green Bank, sítě VLA a VLBA a spolu s Evropskou jižní observatoří staví radioteleskopickou síť ALMA. v Charlottesville v americké Virginii.

Díky novým hodinám bude moci tento výsledný signál využít projekt EHT. Staré hodiny v korelátoru založené na rubidiuRubidium – prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Rubidium je měkký (asi jako vosk), lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od předchozích alkalických kovů je těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Rubidium bylo objeveno roku 1861 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. byly vyměněny a budou sloužit jako záloha pro hodiny nové. Ty jsou napájeny vodíkovým maseremMASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě. Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem). V roce 2012 byl zkonstruován pulzní a v roce 2018 kontinuální maser, který pracuje za pokojové teploty bez nutnosti magnetického stínění a bez použití vnějšího magnetického pole.. Maser vytváří vysoce koherentní Koherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. signál, který je vlastně tikáním hodin. Tento konkrétní maser vytvořili na Observatoři Haystack patřící bostonskému MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO..

ALMA se všemi 66 anténami. Zdroj: Ariel Marinkovic / X-Cam.

Zapojování vodíkového maseru do seismických racků, které ochrání elektroniku v případě zemětřesení. Zdroj: Carlos Padilla (NRAO/AUI/NSF).

Simulované zobrazení černé díry v centru Mléčné dráhy na 345 GHz, které by mělo vznikat při projektu EHT. Vstupním modelem je obecně relativistická MHDMHD – magnetohydrodynamika, popis plazmatu jakožto tekutiny v přítomnosti magnetického pole. Přesnější popis lze získat za pomoci více prolínajících se tekutin (například tekutiny elektronů, iontů a neutrálních částic). Magnetohydrodynamiku poprvé použil k popisu plazmatu švédský fyzik Hannes Alfvén v polovině 20. století. simulace plazmatu okolo Kerrovy černé díry. Nalevo je pohled shora, napravo z boku – zde je možno vidět fotonový prstenec a stín černé díry. Tyto jevy vznikají kolem černé díry kvůli silnému zakřivení paprsků světla. Zdroj: ESO.

Observatoři ALMA zvýší citlivost celého projektu EHT desetkrát. Rozlišení celého virtuálního radioteleskopu bude dosahovat až 50 úhlových mikrovteřin. První pokusná pozorování za pomoci spojených sil sfázované ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu. a nějakého dalšího dalekohledu proběhnou už tento rok – včas na to, abychom mohli pozorovat srážku plynoprachového oblaku G2 s centrální černou dírou naší Galaxie. Plného výkonu pak bude moci tato dvojice dosáhnout v roce 2015. Všechny vytipované radioteleskopy by pak měly být propojeny v roce 2022. Seznam zařízení, která se do EHT již zapojují nebo plánují zapojit, je poměrně dlouhý:

Osazování poslední antény radioteleskopické sítě ALMA.
Zdroj: Ariel Marinkovic. (mp4, 46 MB)

Odkazy