Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 4 – vyšlo 27. ledna, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Oko nebes přebírá žezlo od Areciba

Petr Kulhánek

V září 2016 byl v Číně spuštěn po šesti letech stavby a deseti letech plánů největší radioteleskop světa FASTFAST – Five hundred meter Aperture Spherical Telescope, čínský radioteleskop o průměru 500 metrů, který byl zprovozněn v roce 2016. Celkem 4 600 odrazných segmentů je zavěšených v krasové proláklině na unikátní lanové konstrukci, která umožňuje přesné tvarování odrazné plochy. Ohniskové přístroje pro devět pásem jsou zavěšeny nad mísou na lanech v pohyblivé kabině. Přístroj pokrývá frekvenční rozsah 0,07÷3 GHz (0,1÷4 m). (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope), kterému Číňané přezdívají „Oko nebes“. Radioteleskop v ArecibuArecibo – do roku 2016 nejvýkonnější radioteleskop světa, ostrov Portoriko. Průměr antény 304 metrů, anténa vyplňuje celé údolí. Povrch tvoří 40 000 hliníkových desek. Postaven byl v roce 1963. Objevy: první extrasolární planeta, změření periody rotace Merkuru, objev podvojného pulsaru PSR 1913+16 (nepřímé potvrzení existence gravitačních vln), potvrzení Jarkovského jevu u planetky Golevka. s průměrem 304 metrů si držel prvenství dlouhých 53 let. Po více než půl století přichází na scénu nový stroj o průměru 500 metrů. A není to stroj ledajaký. Konstruktéři se poučili z provozu Areciba a v některých konstrukčních prvcích přicházejí se zcela novými revolučními řešeními. FAST je neuvěřitelná stavba a i když se spuštění do provozu protáhlo o tři roky, nic to nemění na tom, že budoucí generace astronomů dostávají do vínku stroj, nad jehož konstrukcí se tají dech a který bude na dlouhá léta nejvýznamnějším radioastronomickým dalekohledem světa. O stavbě gigantického radioteleskopu jsme již informovali v AB 25/2010, proto se v tomto článku nebudeme zabývat všemi detaily konstrukce, ale vybereme jen ty největší zajímavosti.

FAST aneb Oko nebes těsně po dokončení stavby. Jeho mísa je vyplněna 4 600 trojúhelníkovými odraznými segmenty. Na šesti obřích věžích, dobře patrných na periferii mísy, je zavěšena pojízdná kabina s ohniskem přístroje.

Arecibo – do roku 2016 nejvýkonnější radioteleskop světa, ostrov Portoriko. Průměr antény 304 metrů, anténa vyplňuje celé údolí. Povrch tvoří 40 000 hliníkových desek. Postaven byl v roce 1963. Objevy: první extrasolární planeta, změření periody rotace Merkuru, objev podvojného pulsaru PSR 1913+16 (nepřímé potvrzení existence gravitačních vln), potvrzení Jarkovského jevu u planetky Golevka.

RATAN 600 – sovětský radioteleskop vybudovaný na Kavkaze v roce 1974. Průměr má 576 metrů, 895 odrazných segmentů je umístěno jen po obvodě a jejich celková plocha je třetina odrazné plochy amerického Areciba. Použitelný vlnový rozsah je údajně od 1 cm do 50 cm (frekvenční rozsah 0,6÷30 GHz).

FAST – Five hundred meter Aperture Spherical Telescope, čínský radioteleskop o průměru 500 metrů, který byl zprovozněn v roce 2016. Celkem 4 600 odrazných segmentů je zavěšených v krasové proláklině na unikátní lanové konstrukci, která umožňuje přesné tvarování odrazné plochy. Ohniskové přístroje pro devět pásem jsou zavěšeny nad mísou na lanech v pohyblivé kabině. Přístroj pokrývá frekvenční rozsah 0,07÷3 GHz (0,1÷4 m).

Předchůdci – Arecibo a RATAN

Některé radioteleskopy využívají přírodních sníženin nebo údolí jako přirozeného podkladu pro nepohyblivé antény. Výhodou je možnost stavby velkých antén, nevýhodou jejich nepohyblivost, kterou lze jen omezeně kompenzovat pohyblivým ohniskem a rotací Země. Dosud největším gigantem s plně funkční anténou tohoto druhu byl radioteleskop postavený v blízkosti Areciba na ostrově Portoriko. Průměr antény je 304 metrů a vyplňuje celé údolí. Povrch tvoří 40 000 hliníkových desek, jež tvoří kulovou plochu o poloměru křivosti 265 m, jejíž maximální odchylka od správného tvaru je nejvýše 2,2 mm. Radioteleskop byl postaven v roce 1963, v roce 1997 byl kompletně zrekonstruován. Provozuje ho Cornellova univerzita spolu s americkou nadací NSFNSF – National Science Foundation. Nezávislá nadace vytvořená americkým kongresem v roce 1950. Jejím základním cílem je podpora vědy za účelem zlepšení prosperity, blaha a zdraví národa. Roční rozpočet je 5,5 miliardy USD.. Teleskop pokrývá rozsah vlnových délek od 2,5 cm do 1 m (0,3÷12 GHz). K nejvýznamnějším objevům patří: změření rotace Merkuru (1964), změření periodicity pulzaru v Krabí mlhovině (1968), objev podvojného pulzaru PSR 1913+16 – vynikající relativistické laboratoře (1974), která vedla na nepřímé potvrzení existence gravitačních vln, objev prvního milisekundového pulzaru PSR B1937+21 (1982), první přímé zobrazení planetky (Castalia, 1989), objev pulzaru PSR B1257+12 (1990), u něhož se v roce 1994 našla první exoplaneta, mapování ledu na Merkuru (1994), potvrzení Jarkovského jevu (ovlivnění dynamiky tělesa pohlcováním slunečního záření) u planetky Golevka (2003) a objev hydrokyanidových molekul metaniminu v mezihvězdném prostředí (2008). Radioteleskop Arecibo proslul i programem na hledání mimozemských civilizací. V roce 1974 byla vyslána obrazová zpráva směrem ke kulové hvězdokupě M 13 obsahující 73 řádků a 23 sloupců a od roku 1999 běží pasivní program SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence) pro vyhledávání signálů od mimozemských civilizací. Data z projektu zpracovávají spořiče milionů počítačů na celém světě (projekt SETI@home). I kdyby byl jediným výsledkem hledání mimozemských civilizací gigantický paralelní výpočet využívající nečinné počítače, měl projekt svůj smysl. Dnes se tato technologie využívá u mnoha typů vědeckých výpočtů. Radioteleskop v Arecibu se stal i kulisou v mnoha filmech, například v bondovce Zlaté oko.

Arecibo – po dlouhých 53 let největší radioteleskop světa. Nepohyblivá mísa má
průměr 304 metrů a nad ní je zavěšeno částečně pohyblivé ohnisko. Zdroj: BYU.

Arecibo – prostor pod radioteleskopem. Zdroj: National Geographic.

Jak už bývalo v dobách sovětského impéria zvykem, bylo třeba mít prvenství v mnoha oborech lidské činnosti za každou cenu. Tak vznikl i projekt největšího radioteleskopu světa RATAN 600 s průměrem antény 576 metrů. Stranický úkol byl splněn a Sověti dosáhli svého. Od roku 1974 vlastní co do průměru největší radioteleskop na světě, odrazné panely jsou ale jen po obvodu kruhu. Je zde rozmístěno 895 desek o rozměrech 2×7,4 metru. Dalekohled může fungovat buď jako jeden jediný celek s centrálním ohniskem, nebo jako 4 oddělené části. Celková odrazná plocha je cca 20 000 m², což je necelá třetina odrazné plochy Areciba, které tak v té době zůstalo nejvýkonnějším radioteleskopem světa. RATAN je zkratka z ruského „RAdioTeleskop Akademii Nauk“. Přístroj je součástí observatoře SAO (Special Astrophysical Observatory) a nachází se na území dnešního Ruska v severním Kavkazu, v nadmořské výšce 995 metrů v blízkosti vesnice Zelenčukskaja, pouhých 20 km od šestimetrového optického dalekohledu, který měl kdysi předčít Haleův pětimetrový dalekohled na Mt. Palomaru, což je podobně beznadějná kapitola sovětských snah. Použitelný vlnový rozsah je údajně od 1 cm do 50 cm (frekvenční rozsah 0,6÷30 GHz). O tom lze ale dosti pochybovat, zejména v krátkovlnné oblasti by jednak musel být přístroj mimořádně přesně sesazen, a jednak by musel být chlazený, aby nevadil tepelný šum. Celý projekt RATAN je spíše nafouklou bublinou a s kvalitou Areciba se nedá srovnávat.

RATAN 600 – sovětský pokus o překonání amerického Areciba. Odrazné desky jsou jen na obvodu přístroje, a tak RATAN nemůže Arecibu s kompletní odraznou mísou konkurovat. Zdroj: Extreme Tech.

FAST – trocha historie

Touha vybudovat v Číně velký radioteleskop je staršího data. První vážnější úvahy se objevily v roce 1994, tedy 22 let před zprovozněním radioteleskopu. V roce 2001 byla dokončena předběžná studie a Čínská akademie věd zařadila stavbu mezi realizovatelné projekty. V roce 2007 se stavba radioteleskopu stala klíčovým projektem národního zájmu a v červenci 2007 rozhodla vládní organizace NFRC (National Development and Reform Commission), že bude velkolepý projekt financovat, a uvolnila první prostředky ve výši 675 milionů jüanů, což byly přibližně dvě miliardy českých korun. Konkrétní návrhy technologických řešení se objevily v roce 2008. Radioteleskopu FAST již nic nestálo v cestě a dne 26. prosince 2008 byl položen základní kámen observatoře. Ve skutečnosti byl tento akt pouhou politickou taškařicí, nikoli skutečným zahájením stavby (zemní práce započaly až v roce 2010). Čínští soudruzi pokládali základní kámen observatoře v slušivých sáčcích a vyleštěných polobotkách přímo z rudého koberce. Naštěstí základní kámen umístili bokem od budoucí observatoře, takže při vlastní stavbě nijak nepřekážel.

Pokládání základního stavebního kamene dne 26. prosince 2008. Čínští soudruzi
se při této náročné činnosti ani nezapotili, ani neumazali.

Čínští inženýři vytipovali řadu lokalit, ve kterých stavba přicházela v úvahu. Zohledněny byly: tvar terénu, elektromagnetické znečištění z okolí, dostupnost lokality, kvalita podloží a další parametry. Konečné rozhodnutí padlo na krasovou proláklinu Dawodang o průměru 800 metrů, jež se nachází v provincii Guizhou v blízkosti města Duyun (100 000 obyvatel) v jihozápadní části Číny poblíž obratníku Raka. Lokalita je vzdálená 170 km od Guiyangu – hlavního města provincie. Tvar prolákliny téměř přesně odpovídá kulové ploše radioteleskopické mísy, a tak bylo zapotřebí minimálních terénních úprav. V údolí původně stálo dvanáct obydlí. Celkem 61 farmářů bylo postupně přestěhováno do nově vzniklého městečka Kedu ve vzdálenosti 60 kilometrů od radioteleskopu. Okolní kopce dobře stíní rušivý elektromagnetický signál z pozemských zdrojů a jde o rádiově velmi klidnou oblast.

Radioteleskop FAST se nachází v místě označeném hvězdičkou. Podklad je převzat z Google Maps. Poloha radioteleskopu je 25.652917, 106.856583. Pokud si lokalitu chcete prohlédnout na Google Maps, použijte přímý odkaz. V době psaní tohoto článku byla v Google Maps použita starší fotografie rozestavěného radioteleskopu.

Po vysídlení farmářů a srovnání terénu započala v prosinci 2012 stavba obvodové konstrukce, na níž visí podpůrná síť lan. V březnu 2013 započala stavba šestice věží, které drží na lanech kabinu s ohniskem. Na snímku je dostavěna obvodová konstrukce, dále jsou hotovy dvě podpůrné věže, třetí (nalevo) je ve stavbě.

FAST – odrazná plocha

Odrazná plocha je držena sítí kabelů, které tak trochu připomínají hustou rybářskou síť, jejíž okraje jsou zavěšeny na obvodové konstrukci. Umisťování kabelové sítě započalo v červenci 2014. Síť tvoří 7 000 úseků ocelových lan a 2 400 uzlů. Z každého uzlu vede kotvící lano k motorovému navijáku upevněnému v dolomitovém podloží pod radioteleskopem. Napínáním kotvících lan je možné zformovat tvar odrazné mísy do základní kulové plochy s průměrem 500 metrů a poloměrem křivosti 300 metrů. Správný tvar odrazné plochy se vyhodnocuje pomocí zaměřovacího systému a následné fotogrammetrieFotogrammetrie – způsob rekonstrukce třírozměrných objektů z dvojrozměrného záznamu. Rozlišujeme fotogrammetrii leteckou (dálkový průzkum Země), pozemní a blízkou. Před snímkováním je nutné rozmístit na snímkovaném předmětu kontrastní body, pomocí jejichž polohy se pak bude tvar předmětu matematicky zpracovávat..Toto řešení je naprosto unikátní a nebylo použito na žádném jiném radioteleskopu. Proto čínští odborníci v letech 2004 až 2006 nejprve zkonstruovali funkční model radioteleskopu v měřítku 1:10, tj. s průměrem mísy 50 metrů. Všechny systémy pracovaly podle předpokladů a úspěšně byla detekována čára neutrálního galaktického vodíku s vlnovou délkou 21 cm. Na kabelovou síť byly umístěny vlastní odrazné segmenty, které mají trojúhelníkový tvar (to samo je poněkud atypické, většinou se používají obdélníky nebo šestiúhelníky). Plochu tvoří celkem 4 600 segmentů, což je výrazně méně než u Areciba (tam je 40 000 segmentů). Snížení počtu segmentů znamenalo menší problémy při jejich umísťování. Aby při tak malém počtu segmentů nedošlo ke snížení přesnosti tvaru odrazné plochy, nemohly být použity rovinné segmenty – jejich povrch je výsečí kulové plochy.

Snímek zachycuje fázi osazování kabelové sítě trojúhelníkovými segmenty. Podle počítačové animace v závěru bulletinu mělo mít osazování segmenty určitý řád, skutečnost byla ale jiná – segmenty byly osazovány na více místech naráz a plocha odrazné mísy se zaplňovala postupně ze všech stran.

FAST – ohnisko

Radioteleskopy s nepohyblivou mísou mají jednu nevýhodu. Nelze je namířit do libovolného místa oblohy. Přesto nemusí hledět jen nad sebe, jak by se na první pohled mohlo zdát. Pokud jsou přístroje, které v ohnisku zachytávají elektromagnetické vlny z odrazné plochy, umístěny v pohyblivé kabině, je možné změnou její polohy částečně ovlivnit směr přicházejícího signálu. Radioteleskop FAST má přijímané frekvence rozděleny do devíti pásem a každé z nich je přijímáno jiným přístrojem. Všechny přístroje jsou umístěné v kabině o průměru 11 metrů zavěšené na lanech zakotvených na šestici podpůrných věží. Taháním za lana je možné kabinou pohybovat. V ohnisku je přijímán signál odražený jen z části povrchu radioteleskopu. Tato „aktivní skvrna“ má průměr 300 metrů a spolu s kabinou vznášející se v ohniskové rovině definuje směr příjmu signálu. Radioteleskop se díky tomuto triku může podívat do oblastí vzdálených až 40°od zenituZenit (nadhlavník) – bod svisle nad námi. , a to s přesností zaměření 8” a rozlišením 2,9'. Ale to není vše. Část odrazné plochy, ze které právě přichází signál do ohniska, lze dočasně zdeformovat do parabolického tvaru! Jak jsme se již zmínili, podpůrná lanová síť je napínána lanovými úchyty zakotvenými na motorových navijácích. Pomocí nich je možné dočasně změnit aktivní část mísy radioteleskopu na parabolu a dosáhnout ideálního zobrazení. Opět jde o zcela průkopnickou technologii, která nebyla u žádného jiného radioteleskopu dosud použita. Přístroje pro frekvence vyšší než 560 MHz jsou chlazeny kapalným héliem, které je v kabině uchováváno v Dewarově nádobě. U přijímaného signálu je sledována i jeho polarizacePolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla., a to v plném rozsahu frekvencí. Z kabiny je signál veden datovými kabely (zavěšenými spolu s nosnými kabely mezi kabinou a podpůrnými věžemi) do observatoře umístěné v těsné blízkosti radioteleskopu. Celý provoz zajišťuje 71 stálých zaměstnanců.

Základní součásti radioteleskopu FAST: Z – zdroj signálu, S – střed křivosti, K – kabina s detektorem, F – ohnisková plocha, 1 – mísa radioteleskopu, 2 – obvodová nosná konstrukce, 3 – nosná lanová síť, 4 – kotvící lana, 5 – polohovací lana, 6 – ukotvený naviják, 7 – věž, 8 – optické vlákno, 9 – observatoř, 10 – podloží. Poloměr křivosti odrazné plochy R = 300 m, ohnisková vzdálenost f = 0,4655 R, průměr aktivní sběrné plochy d ? 300 m, vrcholový úhel ? ? 60°.

Kabina s přístroji má 11 metrů v průměru a pohybuje se na lanech v ohniskové rovině nad mísou teleskopu. Na prvním snímku je kabina zachycena v centru odrazné plochy těsně před zvdižením. V kabině je devět přístorjů pro různé části spektra.

FAST, Arecibo, RATAN – porovnání parametrů

	Arecibo	RATAN	FAST
první signál	1963	1974	2016
poloha	18.34417, -66.75278	43.826167, 41.586683	25.652917, 106.856583
apertura	304 m	576 m	500 m
odrazná plocha	70 000 m²	20 000 m²	270 000 m²
poloměr křivosti	265 m	–	300 m
počet segmentů	40 000	895	4 600
vlnová délka	0,025÷1 m	~0,1÷0,5 m	0,1÷4 m
frekvence	0,3÷12 GHz	0,6÷3 GHz	0,07÷3 GHz
pokrytí oblohy	20° od zenitu	neuvádí	40° od zenitu

Závěr

Náplň práce radioteleskopu FAST bude obdobná jako u ostatních obřích přístrojů: přehlídka oblohy v čáře neutrálního vodíku, výzkum pulzarů, spektroskopie mezihvězdných molekul a výzkum nejchladnějších zákoutí vesmíru. Dalekohled se zapojí do mezinárodních interferometrických sítí 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. a sítí PTAPTA – Pulsar Timing Array, metoda detekce gravitačních vln za pomoci vybraných pulzarů z naší Galaxie, jejichž signál se cestou k nám pohupuje na gravitačních vlnách, které ovlivní dobu příchodu jednotlivých pulzů. Signál je sledován sítěmi radioteleskopů. Tato metoda je testována od roku 2005 na australských radioteleskopech Parkers (Parkers PTA). Existuje i Evropské pole EPTA zahrnující například radioteleskopy Lovell, Effelsberg, Wersterbork a Nançay a Severoamerická nanohertzová observatoř NANOGrav. V roce 2023 bylo oznámeno mo6né zachycení gravitačních vln. Velký průlom se očekává po dostavbě obřího pole radioteleskopů SKA (Square Kilometer Array). hledajících za pomoci pulzarů gravitační vlny. Vzhledem k bezkonkurenčně nejlepším parametrům lze očekávat řadu nových objevů na poli radioastronomie. Doba, kdy se všechny výrobky z Číny považovaly za podřadné zboží, je nenávratně pryč. Dnes jsou integrovanými obvody z Číny osazovány špičkové přístroje, čínské optické prvky včetně zrcadel mají mnohdy lepší parametry než obdobné prvky od jiných renomovaných výrobců a i radioteleskop FAST patří k tomu nejlepšímu, co má dnešní radioastronomie k dispozici. Vůbec nevadí tříletý skluz spuštění radioteleskopu oproti původnímu plánu. Jedinou vadou na kráse je snad anglická mutace domovské stránky dalekohledu, kde klikání na odkazy připomíná náročnou hru, jejíž výsledek vás může dovést kamkoli, jen ne na avizovanou stránku.

V článku jsou některé popisné části převzaty ze starších článků autora.

Animace jednotlivých prvků radioteleskopu FAST (mp4/h264, 50 MB)

Odkazy