Pierwsze obrazy Wszechświata z polskich stacji LOFAR

Zmień rozmiar tekstu

Polskie stacje LOFAR wybudowane w poprzednim roku pracują już rutynowo, tworząc razem z innymi, największy interferometr radiowy na świecie w dziedzinie 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 tego 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, obszerne loby promieniowania i zwarte obszary gorącej plazmy. Poprawne działanie stacji i ich połączenie przez 10 GB/s łącze internetowe z superkomputerem w Groningen to sukces współpracy Uniwersytetów Jagiellońskiego, Warmińsko-Mazurskiego, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Centrum Superkomputerowo-Sieciowego PIONIER i partnerów międzynarodowych. LOFAR stał się prawdziwie międzynarodowym urządzeniem, łączącym różne części Europy i naukowców z wielu krajów.

 

Rys. 1. Z lewej: ujawnione detale struktury kwazara 3C196 na częstotliwości 116 MHz w wyniku obserwacji trzema polskimi oraz 48 pozostałymi stacjami LOFAR-a. 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, zobacz: 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 głównie do badań wodoru neutralnego w tzw. epoce rejonizacji. Nastąpiła ona krótko po Wielkim Wybuchu, doszło w niej do powstania pierwszych gwiazd i czarnych dziur. Uzyskanie z LOFAR-a obrazów tak odległych zakątków Wszechświata wymaga osiągnięcia dynamiki sygnału rzędu miliona. Konieczne do tego jest dokładne rozpoznanie struktury bliższych i silniejszych źródeł (jak 3C196), a następnie ich usunięcie z map. Wymagana do tego zdolność rozdzielcza pozwalająca odróżnić szczegóły rzędu 0.5” jest osiągalna dopiero dla anten takich jak polskie, które są najbardziej oddalone od centrum LOFAR-a w Holandii. Detekcja sygnałów z epoki rejonizacji Wszechświata to jedno z najpilniejszych i najambitniejszych 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 dynamicznych zmian ziemskiej jonosfery. Pracujące polskie stacje stanowią potwierdzenie koncepcji niskoczęstotliwościowej interferometrii radiowej opartej o anteny umieszczone w rekordowych 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 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. Sygnały przesyłane są do superkomputera w Groningen, gdzie podlegają procesowi korelacji i wstępnej kalibracji. Teleskop pracuje w zakresie od 10 MHz (najniższe częstotliwości radiowe dostępne do obserwacji z powierzchni Ziemi) do 240 MHz. 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 - jaka jest kosmologiczna ewolucja powstawania gwiazd i aktywnych jąder galaktyk
  • Pulsary i błyski radiowe - sondowanie ekstremalnych warunków astrofizycznych, które prowadzą do jasnych błysków promieniowania.
  • Epoka rejonizacji - zrozumienie, jak pierwsze gwiazdy i czarne dziury spowodowały powstanie gorącego Wszechświata.
  • Kosmiczny magnetyzm - jakie jest pochodzenie i ewolucja pól magnetycznych, które przenikają cały Wszechświat
  • Słońce i nasze środowisko kosmiczne - powiązanie struktury wiatru słonecznego, rozbłysków słonecznych, stanu ziemskiej jonosfery, badania tzw. „pogody kosmicznej”.
  • Promieniowanie kosmiczne - jakie jest pochodzenie najbardziej energetycznych cząstek we Wszechświecie

 LOFAR rewolucjonizuje niskoczęstotliwościową astrofizykę i jest prekursorem zaawansowanych osiągnięć sprzętowo-programistycznych, które zostaną wykorzystane w 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)

 

w kategorii