Penetracja granic wszechświata

Astronomia posiada dwa zupełnie różne obrazy wszechświata. Jeden powstaje z obserwacji nieba przez teleskopy optyczne, drugi skonstruowany jest z zapisu fal radiowych, części widma fal elektromagnetycznych dochodzących do nas z kosmosu. Obraz rejestrowany w widmie widzialnym przedstawia głównie gwiazdy i tzw. normalne galaktyki czyli materię. Obraz radiowy pokazuje zjawiska energetyczne np. ucieczkę elektronów z ciał niebieskich, sygnały płynące z pulsarów oraz tzw. galaktyki radiowe.

Astronomia posiada dwa zupełnie różne obrazy wszechświata. Jeden powstaje z obserwacji nieba przez teleskopy optyczne, drugi skonstruowany jest z zapisu fal radiowych, części widma fal elektromagnetycznych dochodzących do nas z kosmosu. Obraz rejestrowany w widmie widzialnym przedstawia głównie gwiazdy i tzw. normalne galaktyki czyli materię. Obraz radiowy pokazuje zjawiska energetyczne np. ucieczkę elektronów z ciał niebieskich, sygnały płynące z pulsarów oraz tzw. galaktyki radiowe.

Niewidzialne światy

Obrazy optyczny i radiowy można nałożyć na siebie. Otrzymuje się wtedy nowy wymiar zdarzeń kosmicznych. Odległe galaktyki, badane metodą optyczną, ukazują się na ekranie jako drobne, nie powiązane ze sobą punkciki. Na ten wizerunek można nałożyć obraz zdarzeń energetycznych zachodzących w tej samej części nieba. Wtedy widać, że z niektórych punkcików wysuwają się niezwykle długie, cienkie nitki, biegnące w przeciwnych kierunkach i rozszerzające się od pewnego miejsca w chmurę rozproszonej energii. Niekiedy - jak w przypadku galaktyki Her A - strumienie energii ciągną się na odległość pół miliona lat świetlnych.

Czym są te strumienie energii? Jak dotąd, więcej wiadomo na temat, jak one wyglądają, niż jak powstają i czym są w rzeczywistości. Istnieją jednak interesujące interpretacje tego zjawiska. Wielu teoretyków - astrofizyków przypuszcza, że strumienie fal radiowych powstają w pobliżu środka wolno poruszających się galaktyk. Gwiazdy i gaz międzygwiezdny skupiają się w gorące dyski gęstej materii, krążące wokół czarnej dziury w centrum galaktyki. Przekształcają one energię grawitacyjną, uwalnianą ze spadających gwiazd i gazu, w strumienie naładowanych cząsteczek i pola magnetycznego. Strumienie te ulatują w przestrzeń w formie skolimowanych wiązek fal elektromagnetycznych porywając ze sobą cząsteczki gazu międzygwiezdnego. W ten sposób odpychają swobodną materię od macierzystej galaktyki. Być może w ten sposób galaktyki utrzymują względnie stałą masę i - jeśli tak można powiedzieć - bronią się przed przekształceniem w międzygwiezdny śmietnik. To zapewne przedłuża ich trwałość. Jest to oczywiście tylko hipoteza.

Najczęściej optyczny i radiowy obraz wszechświata znacznie różnią się od siebie. Przy pomocy optycznych teleskopów stwierdzono, że istnieją dwa rodzaje galaktyk -spiralne i eliptyczne. Galaktyki spiralne są dość płaskie i wirują stosunkowo szybko wokół swego centrum. Na taką galaktykę składają się miliardy gwiazd podobnych do naszego słońca i wirujące wokół nich planety, pył kosmiczny i gaz międzygwiezdny. Galaktyki eliptyczne są bardziej skupione. Mają kształt jaja i wirują znacznie wolniej. Nie ma w nich prawie wcale gazu i pyłu kosmicznego.

Galaktyki spiralne niemal nigdy nie wysyłają sygnałów radiowych eliptyczne emitują je dość rzadko (przeciętnie jedna galaktyka na sto). Istnieje jednak trzeci rodzaj galaktyk, których sygnały radiowe są od tysiąca do miliona razy silniejsze od sygnałów nadchodzących z galaktyk optycznych. Są to niewidzialne galaktyki radiowe. Można je badać tylko przy pomocy radioteleskopów, czyli układów anten odbiorczych.

Radioteleskopy

Badanie nieba przy pomocy fal radiowych ma jedną wielką przewagę nad badaniem optycznym: sygnały pochodzące z rozmaitych teleskopów można sumować. Na przykład, na równinach św. Augustyna, niedaleko Socorro w stanie Nowy Meksyk, postawiono zespół radioteleskopów nazwany The Very Large Array, w skrócie - VLA. Zespół składa się z 27 anten ustawionych na planie litery Y. Wszystkie anteny zwrócone są w jeden punkt obserwacyjny na niebie i śledzą go przez kilka godzin. Każda antena rejestruje natężenie sygnału fali radiowej o wybranej długości i co 10 sekund przekazuje zebrane obserwacje do centralnego komputera. Pod koniec sesji obserwacyjnej komputer wytwarza mapę obserwowanego wycinka nieba.

Taka mapa jest bardziej dokładna i szczegółowa niż fotografia pochodząca z największego teleskopu optycznego. Obserwacje optyczne ograniczone są przez fakt, że obraz pochodzi zawsze z jednej soczewki. Rozdzielczość teleskopu optycznego jest więc z góry ograniczona i teoretycznie zależy wyłącznie od średnicy największej soczewki lub lustra. Ta sama zasada, dotycząca zdolności rozdzielczej, obowiązuje w odniesieniu do radioteleskopów. Rozdzielczość zależy od odległości między antenami - im odległość jest większa tym rozdzielczość jest lepsza. Na dodatek można nakładać na siebie sygnały pochodzące z rozmaitych anten. Teoretycznie możliwe jest więc zbudowanie zespołu radioteleskopów o rozstawie odpowiadającym średnicy Ziemi. Podobnego lustra czy soczewki o tak dużym kącie widzenia nie da się oczywiście skonstruować.

W istocie przygotowuje się już system radioteleskopów o rozstawie bliskim promieniowi Ziemi. The Very Long Baseline Array (VLBA) będzie się rozciągać od Mauna Kea na Hawajach do Saint Croix na Wyspach Dziewiczych i po drodze obejmować 8 radioteleskopów na terenie USA. Zespół anten powinien być gotowy w 1993 roku.

Przy tak wielkich odległościach pojawia się jednak problem, ktorego nie znają astronomowie pracujący z teleskopami optycznymi. Mapa Ziemi ustawicznie ulega odkształceniom w wyniku ruchu kontynentów i precesji Ziemi. Dotąd nie przejmowano się tym. Teraz jednak jest to problem wymagający dokładnego zbadania. Precyzyjne określenie położenia punktów na niebie możliwe jest tylko przy dokładnej lokalizacji punktów obserwacji.

Obserwacje niezgodne z teorią Einsteina

Choć zespoł VLBA nie jest jeszcze gotowy, wykorzystano go już do przeprowadzenia badań, które dały nadzwyczaj zagadkowe wyniki. W lipcu 1977, marcu 1978, czerwcu 1979 i lipcu 1980 zbadano położenie pewnego obiektu wysyłającego fale radiowe, określanego przez astronomów symbolem 3C237. Okazało się, że w ciągu 3 lat dwie części tego obiektu odsunęły się od siebie na odległość 25 lat świetlnych. Jeśli obserwacja ta jest prawdziwa, to może świadczyć o tym, że obiekt 3C237 rozpada się na dwie części z szybkością 8 razy większą od prędkości światła. Podobne zdarzenia są niezgodne z teorią Einsteina, która głosi, że żaden przedmiot materialny nie może poruszać się z prędkością większą od prędkości światła.

Najbardziej wiarygodnym wyjaśnieniem tego zjawiska jest hipoteza głosząca, że dwie części obiektu 3C237 pędzą w naszą stronę z prędkością wynoszącą 99% prędkości światła. Przy tak wielkiej prędkości obiekt niemal dogania wysyłane przez siebie sygnały radiowe. Jeśli na przykład obiekt ten wysyła fale radiowe o długości 1 cm, to dopędzające ten sygnał źródło fal skraca je do długości 0,01 cm. Jest to (przewidziana w teorii względności Einsteina) kontrakcja przestrzeni. Żródło nieustannie emituje fale, które nakładają się na te wysyłane wcześniej. Wzrasta amplituda fali przy skróceniu długości (efekt Dopplera). To powoduje, że obiekt wydaje się emitować sygnał 100 razy silniejszy niż w rzeczywistości.

Solone śledzie

Najważniejszym instrumentem w badaniu nieba okazuje się jednak nie radioteleskop lecz komputer. Radioteleskop i wzmacniacz tylko rejestrują i zwielokrotniają sygnał. Interpretację sygnałów i odpowiadającą im mapę nieba daje komputer. W Soccoro komputer składa się z trzech części.

Pierwsza część kontroluje układ anten i wprawia je w ruch kompensujący wirowanie Ziemi wokół własnej osi oraz jej ruch wokół Słońca. Ta sama część komputera precyzyjnie ustala położenie każdej anteny.

Druga część komputera zajmuje się kalibracją anten. Kierując antenę na wybrany stały punkt emisji fal radiowych na niebie można, badając przesunięcie faz sygnału, ustalić wzajemne położenie względem siebie wszystkich użytych w systemie anten. Można następnie opóźnić sygnał o ułamki sekundy w poszczególnych antenach, tak aby wszystkie anteny dawały ten sam odczyt jednocześnie. Można też zrobić odwrotnie - celowo opóźnić odczyt o jedną miliardową sekundy (w tym czasie fala radiowa przebywa dystans około 1/3 metra) i nałożyć odczyty z dwóch anten na siebie. Powstaje wtedy zjawisko interferencji, czyli wzmocnienie amplitudy fali przy jednoczesnym osłabieniu jej tła. Takich porównywań można dokonać wielu, aż poziom szumów zostanie wyraźnie stłumiony. W Socorro, gdzie używa się 27 anten, można maksymalnie wykonać taką interferencję 351 razy, porównując ze sobą odczyty dla wszystkich możliwych par anten. Dopiero tak uzyskany odczyt traktowany jest jako pojedynczy sygnał radiowy.

Odczyty sygnałów przesyłane są do trzeciej części komputera. Tam zostają skorelowane z innymi odczytami i zapamiętywane w archiwum na taśmie magnetycnej o wysokiej gęstości. Z tych danych w dowolnym momencie można otrzymać mapę wybranego wycinka nieba. Dane te można też przesyłać pocztą elektroniczną do dowolnego komputera gdziekolwiek na świecie i tam prowadzić dalsze badania astronomiczne.

Jednym z największych ośrodków zajmujących się wytwarzaniem obrazów radioastronomicznych i ich analizą jest National Radio Astronomy Observatory w Charlottesville, w stanie Virginia. Szef ośrodka komputerowego w tym obserwatorium, Geoff A. Croess, Holender z pochodzenia, chętnie porównuje badania astronomiczne do łowienia śledzi. Pierwsza część komputera w Socorro - czyli Antenna Control - tylko łapie śledzie. Druga - Calibration Computer - soli śledzie, żeby je lepiej przechować. Tylko trzecia część - Image Processing - zajmuje się prawdziwym badaniem naukowym - czyli potrafi coś z tych śledzi przyrządzić.

"Solone śledzie" są przygotowywane w sposób automatyczny. Wystarczy tylko wskazać, co chciałoby się zobaczyć na niebie a zespół techników ustawi anteny i je wykalibruje. Po niedługim czasie otrzyma się taśmę z zapisem sygnałów radiowych z wybranego wycinka nieba.

Domowe obserwatorium astronomiczne

The National Radio Astronomy Observatory przyjmuje ok. 700 astronomów z całego świata rocznie i gości ich w Socorro. Tam mają przeciętnie 8 godzin na wykorzystanie systemu anten jeśli zależy im na tym, żeby dokładnie widzieć, jak powstają sygnały radiowe i ewentualnie korygować odczyty.

Dodatkowa liczba badaczy może eksperymentować na "solonych śledziach" w jednym z ośrodków NRAO położonych z dala od anten, np. w Charlottesville. Tam siedzą przy komputerze wyposażonym w program do wytwarzania obrazów i badając rozbłyski na radiowym niebie decydują, czy spostrzegli coś nadzwyczajnego, czy tylko patrzą na dobrze już znany obraz wszechświata.

Do niedawna przetwarzanie sygnałów radiowych na obrazy nieba wykonywano na wielkich stacjonarnych komputerach przy użyciu złożonego programu napisanego w Fortranie. W tym roku ośrodek w Charlottesville przechodzi na stacje robocze IBM. Grupa programistów i astronomów z całego świata napisała juz nowy program w C++, który będzie odtąd wykorzystywany do analizy danych pochodzących z dowolnego ośrodka rejestracji sygnałów radiowych.

Są to zmiany o wielkim znaczeniu. Radioastronomia staje się nauką prawdziwie międynarodową i jej głównym instrumentem badawczym będzie od tego roku komputerowa stacja robocza. Geoff A. Croess wyraźnie mówi, że badania astronomiczne może dziś robić właściwie każdy, jeśli tylko nauczy się astronomii. Nie musi mieć teleskopu, nie musi nigdzie jeździć, nie musi nawet wiedzieć, jak wygląda radioteleskop. Wystarczy, żeby miał pocztę elektroniczną i stację roboczą. Reszta zależy od jego umiejętności interpretacji obrazów komputerowych.


TOP 200