Pierwsze obrazy Wszechświata z polskich stacji LOFAR-a

Polskie stacje LOFAR-a wybudowane pod koniec 2015 roku pracują już rutynowo. Razem z innymi stacjami tworzą one największy na świecie interferometr radiowy działający w zakresie niskich częstotliwości. Na konferencji w Zandvoort w Holandii profesor Ger de Bruyn z Uniwersytetu Groningen przedstawił właśnie pierwsze obrazy nieba uzyskane dzięki polskim stacjom LOFAR-a (Rys. 1). Obserwacje przeprowadzone w lutym 2016 roku ukazują strukturę kwazara 3C196, odległego od Ziemi o 7 mld lat świetlnych. Same stacje holenderskie są niewystarczające, widzą obiekt jako pojedynczą plamkę. Dopiero ich połączenie z antenami w Polsce i innymi stacjami międzynarodowymi pozwala spojrzeć z dziesięciokrotnie lepszą zdolnością rozdzielczą i ujawnić bogatą morfologię obiektu: zwarte regiony silnego promieniowania i rozciągłe obszary o słabszej emisji. Poprawne działanie polskich stacji i ich stałe połączenie przez 10 GB/s łącze internetowe z superkomputerem w Groningen w Holandii to sukces współpracy pomiędzy Uniwersytetem Jagiellońskim, Uniwersytetem Warmińsko-Mazurskim, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Centrum Superkomputerowo-Sieciowym PIONIER i partnerami międzynarodowymi.

Rys. 1. Z lewej: ujawnione detale struktury kwazara 3C196 na częstotliwości 116 MHz w wyniku obserwacji LOFAR-a przez trzy polskie i 48 pozostałych stacji. Z prawej: analogiczny obraz z obserwacji wyłącznie stacjami holenderskimi. Zdolność rozdzielcza jest w tym wypadku zbyt mała by zidentyfikować złożoną morfologię kwazara. Polskie stacje i pozostałe stacje międzynarodowe pozwalają dziesięciokrotnie zwiększyć zdolność rozdzielczą obrazów ze stacji holenderskich. Źródło: ASTRON, http://astron.nl/radio-observatory/lofar-science/lofar-science-highlights/lofar-science-highlights

Badanie struktury kwazara 3C196, choć ciekawe same w sobie, posłuży w tym wypadku do badań wodoru neutralnego w „epoce rejonizacji", która nastąpiła krótko po Wielkim Wybuchu. Doszło w niej do powstania pierwszych gwiazd i czarnych dziur. Uzyskanie obrazów tak odległych zakątków Wszechświata wymaga osiągnięcia w LOFARze - w fachowym języku - dynamiki sygnału rzędu miliona. Konieczne jest do tego dokładne zbadanie struktury bliższych i silniejszych źródeł (jak 3C196), a następnie ich usunięcie z map. Wymagana jest do tego zdolność rozdzielcza pozwalająca rozróżnić na niebie szczegóły rzędu 0.5", co jest osiągalne dopiero dzięki m.in. polskim antenom, najbardziej oddalonym od centrum LOFAR-a w Holandii. Detekcja sygnałów z epoki rejonizacji Wszechświata to jedno z najbardziej znaczących wyzwań współczesnej astrofizyki.

„We got good fringes from all Polish stations" - powiedział profesor de Bruyn podczas konferencji. Te dobrze widoczne oscylujące sygnały (listki interferencyjne, Rys. 2) są najlepszym dowodem poprawnego działania polskich stacji i procesu korelacji sygnałów. Uzyskano je usuwając wpływ ziemskich zakłóceń i zmian ziemskiej jonosfery podczas obserwacji. Polskie stacje pozwoliły na potwierdzenie możliwości niskoczęstotliwościowej interferometrii radiowej opartej o anteny umieszczone w rekordowych dla tej techniki odległościach ponad 1000 km.

Rys. 2. Skorelowane sygnały o różnych polaryzacjach (różne kolory) z polskich i holenderskich stacji LOFAR-a podczas obserwacji kwazara 3C196. Stacja oznaczona jako PL611 została zbudowana w Łazach pod Krakowem (Uniwersytet Jagielloński), stacja PL612 - w Bałdach pod Olsztynem (Uniwersytet Warmińsko-Mazurski), PL610 - w Borówcu pod Poznaniem (Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie). „Core" - oznacza połączone 24 stacje holenderskie. Źródło: ASTRON

Obecnie interferometr LOFAR składa się z 38 stacji holenderskich, 3 polskich, 6 niemieckich oraz pojedynczych w Szwecji, Wielkiej Brytanii, Francji i Irlandii (w budowie). Trzy polskie stacje powstały w ramach realizacji projektu Polskiej Mapy Drogowej Infrastruktury Badawczej. Teleskop pracuje w zakresie od 10 MHz (najniższe częstotliwości radiowe dostępne do obserwacji z powierzchni Ziemi) do 240 MHz. Każda stacja LOFAR-a składa się z kilkudziesięciu niewielkich anten radiowych odpowiednio ze sobą połączonych. Zarejestrowane sygnały z poszczególnych anten są przetwarzane cyfrowo i przesyłane do superkomputera w Groningen, gdzie podlegają procesowi korelacji i wstępnej kalibracji.

Instrument ma duże pole widzenia i może jednocześnie obserwować różne części nieba. Główne badania naukowe prowadzone są w ramach kilku tzw. Projektów Kluczowych LOFAR-a, w których uczestniczą polscy naukowcy. Ich tematyka to:

  • Przeglądy całego nieba - dla wyjaśnienia kosmologicznej ewolucji procesów powstawania gwiazd i aktywnych jąder galaktyk
  • Pulsary i błyski radiowe - sondowanie ekstremalnych warunków astrofizycznych, które prowadzą do obserwowanych jasnych błysków promieniowania radiowego
  • Epoka rejonizacji - zrozumienie ewolucji pierwszych gwiazd i czarnych dziur
  • Kosmiczny magnetyzm - pochodzenie i ewolucja pól magnetycznych, które przenikają Wszechświat
  • Słońce i nasze środowisko kosmiczne - powiązanie struktury wiatru słonecznego, rozbłysków słonecznych, stanu ziemskiej jonosfery, badania tzw. „pogody kosmicznej"
  • Promieniowanie kosmiczne - wyjaśnienie pochodzenia najbardziej energetycznych cząstek we Wszechświecie.

LOFAR rewolucjonizuje niskoczęstotliwościową astrofizykę i jest prekursorem zastosowań zaawansowanych technologii sprzętowo-programistycznych, które zostaną wykorzystane w planowanych przyszłych generacjach interferometrów, takich jak Square Kilometre Array.

Krzysztof Chyży (Uniwersytet Jagielloński, Zakład Radioastronomii i Fizyki Kosmicznej, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej)
Andrzej Krankowski (Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego)
Hanna Rothkaehl (Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie)

Published Date: 04.05.2016
Published by: Krzysztof Magda