Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 12 – vyšlo 7. dubna, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

12/2018

Kilometrové pole SKA – největší vědecký projekt všech dob začíná

Petr Kulhánek

 

Evropské společenství se v posledních letech jako jediné na světě pouští do obřích vědeckých projektů, které nemají konkurence. V provozu je největší urychlovač světa LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. v komplexu CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., pod italskou horou Gran SassoNLGS – Národní laboratoř Gran Sasso, byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m². Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty. probíhají desítky experimentů v největší podzemní laboratoři světa, usilovně se staví největší dalekohled E-ELTE-ELT – (European Extremely Large Telescope, Evropský extrémně velký dalekohled, pozemský dalekohled, který bude pozorovat vesmír v optickém a blízkém infračerveném oboru spektra. Staví se na chilské hoře Cerro Armazones. Do provozu má být uveden v roce 2024. Jeho primární zrcadlo bude segmentové, celkem o průměru 39,3 m. Vzhledem k účasti Brazílie v projektu byl dalekohled v roce 2017 přejmenován na ELT (Extrémně velký dalekohled). o průměru 39 metrů (viz AB 36/2016) a připravuje se stavba obřího vesmírného interferometru eLISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být dlouhá pět milionů kilometrů. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). Poté byl projekt vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA) s rameny interferometru dlouhými „jen“ milion kilometrů. V roce 2017 se opětovně přepracovaný projekt dostal do výběru velkých (L3, Large) misí Evropské kosmické agentury pod původním názvem LISA. Finální délka ramen interferometru bude 2,5 milionu kilometrů. Start je plánován na rok 2034. s rameny milion kilometrů. V letošním roce dostala zelenou stavba radioteleskopického pole SKASKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km². K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory). složeného z mnoha tisíc radioteleskopů umístěných na dvou kontinentech. Jde o mezinárodní projekt, v němž má Evropa významné postavení. Celková sběrná plocha by měla po dokončení dosáhnout jednoho kilometru čtverečního. Jedná se o stavbu zcela mimořádnou, stavbu natolik gigantických rozměrů, že v historii lidstva nenajdeme nic obdobného.

Obří radioteleskopická síť se bude skládat z centrální části a stanic, které se od ní budou vinout v pěti spirálách. Mezi nejvzdálenější stanicí a centrem bude vzdálenost 3 000 kilometrů. Jednotlivé přijímače budou tří typů – od klasických mís až po plošné antény (v levém horním výřezu). Zdroj: SKA.

SKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km2. K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory). ATA – Allen Telescope Array, projekt radioteleskopické sítě složené z 350 šestimetrových antén, jejichž celková sběrná plocha by měla mít hektometr čtvereční. Pole je pojmenováno podle nadace Paula Allena, která uvolnila pro rozjetí projektu prostředky. Výstavba probíhá na půdě rádiové observatoře Hat Creek v blízkosti Oaklandu patřící Kalifornské univerzitě. Jde o společné úsilí SETI a Kalifornské univerzity. Jedním z cílů sítě by mělo být hledání mimozemských civilizací. V současnosti se stavba neskutečně vleče, potýká se s obrovskými finančními problémy a v provozu je pouhých 42 radioteleskopů. Vize, že se ATA stane technologickým předskokanem radioteleskopického pole SKA (sběrná plocha kilometr čtvereční), odkráčela do říše snů. 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.

Radioastronomie

Zemská atmosféra plně propouští jen vizuální obor a část rádiových vln. Není proto divu, že se radioastronomie po vizuální astronomii stala v pořadí druhým způsobem pozorování vesmírných objektů. Vše začalo v roce 1933, když Karl Jansky, zaměstnanec Bellových telefonních laboratoří, nalezl při sledování poruch v telefonii rádiový signál z centra Mléčné dráhy. V následujících desetiletích nastal bouřlivý rozvoj radioastronomie a v současnosti si bez ní pozorování vesmíru nedokážeme představit. Největší pohyblivý radioteleskop světa má průměr mísy 100×105 metrů a nachází se v americkém Green Banku. Na druhém místě je evropský Effelsberg, který má průměr mísy 100 metrů. V provozu jsou také obří nepohyblivé radioteleskopy, které vyplňují celá údolí. Změnu místa pozorování zajišťuje rotace Země a částečně pohyblivé ohnisko. Největší je čínský radioteleskop 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). s průměrem 500 metrů (viz AB 4/2017). Za zmínku stojí také radioteleskop AreciboArecibo – 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, který vyplňuje terénní nerovnost na ostrově Portoriko.

Radioteleskopy se často sdružují do radioteleskopických polí, která jednak zvyšují sběrnou plochu a úhlové rozlišení, a jednak umožňují interferometriiInterferometr – soustava dvou a nebo více antén či dalekohledů, ze kterých se signál z jediného zdroje přivádí do detektoru, kde interferuje (sčítají se amplitudy vln). Může jít také o jediný přístroj, v němž je paprsek rozdělen do více ramen. Jsou-li v detektoru vlny protifázi, může dojít k vyrušení výsledné vlny. V detektoru se zaznamenává intenzita vlny, která je kvadrátem amplitudy. Čím větší je základna interferometru, tím vyšší je jeho rozlišovací schopnost. s velkou pozorovací základnou. Interferometrická měření v obřích sítích radioteleskopů se zpracovávají technologií 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., která je dnes mimořádně propracovaná. K nejznámějším radioteleskopickým polím patří VLAVLA – Very Large Array, síť 27 radioteleskopů poskládaných do tvaru písmene Y umístěná v Socorru v Novém Mexiku. Průměr jedné antény je 25 metrů, hmotnost 230 tun. Elektronicky zpracovaná data poskytují rozlišení odpovídající základně 36 kilometrů a citlivost odpovídající jednomu dalekohledu o průměru 130 metrů. Síť provozuje National Radio Astronomy Observatory (NRAO) od roku 1980. v Novém Mexiku, 27 radioteleskopů se základnou 36 kilometrů. Mnohem větší základnu má radioteleskopické pole VLBAVLBA – Very Large Baseline Array, síť deseti radioteleskopů rozmístěná od Havajských po Panenské ostrovy s délkou základny 8 600 km. Průměr každé antény je 25 m, provozovatelem je National Science Foundation se sídlem v Novém Mexiku. Síť je v provozu od roku 1993. složené z pouhých deseti přístrojů – nejzápadnější z nich je postaven na Havajských ostrovech, nejvýchodnější na Panenských ostrovech, což vytváří základnu o vzdálenosti 8600 kilometrů. Další rozlehlá radioteleskopická pole jsou provozována v Evropě a v Austrálii. Jednotlivá radioteleskopická pole se slučují do větších celků, a tak lze dnes hovořit o celosvětové radioteleskopické síti, která byla v letech 1997 až 2005 doplněna japonským osmimetrovým radioteleskopem umístěným na družici HALCA. Po její deaktivaci měla být HALCA v roce 2012 nahrazena další japonskou družicí Astro-G, projekt ale zkrachoval na nedostatku finančních prostředků. V současnosti je jediný radioteleskop ve vesmíru, o který lze rozšířit základnu interferometrie založené na technologii VLBI, umístěn na ruské družici Spektr-R. Má průměr 10 metrů a funguje od roku 2011. Největší evropské radioteleskopické pole (co do počtu radioteleskopů) je umístěno v Atacamské poušti v jižní Americe. Jde o 66 radioteleskopů 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. provozovaných od roku 2012. Stavba pole SKASKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km². K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory)., která začíná v letošním roce, současnou radioastronomii změní k nepoznání.

Největší evropský radioteleskop v německém Effelsbergu má průměr mísy sto metrů.
Zdroj: Zauber der Sterne, Nico Schmidt.

SKA

Obří radioteleskopické pole SKA je celosvětový projekt s dominantním postavením evropských zemí. Ředitelství je v Jodrell BankJodrell Bank Observatory – observatoř patřící Univerzitě v Manchesteru ve Velké Británii. Nejznámějším přístrojem je Lovellův radioteleskop o průměru 76 metrů. Observatoř také provozuje radioteleskopickou síť MERLIN (Multi-Element Radio Linked Interferometer Network)., jižně od anglického Manchesteru, kde je provozován Lovellův radioteleskop o průměru 76 metrů. Z evropských zemí se na stavbě podílejí Velká Británie, Německo, Itálie, Švédsko a Holandsko. Z dalších zemí jde o Austrálii, Kanadu, Indii, Maltu, Nový Zéland, Jižní Afriku snad i Čínu, jejíž zapojení je nejisté. Stavba probíhá na dvou místech na světě – v západní Austrálii a v Jižní Africe.

V SKA se počítá s několika druhy antén. Základem budou samozřejmě klasické paraboly o průměru 12 metrů a výšce 15 metrů, těch bude v radioteleskopickém poli nejvíce (řádově tisíce) a pokryjí frekvence od 350 MHz do 14 GHz. Tyto paraboly ale nebudou v projektu jediné, budou doplněny dalšími parabolami jiné konstrukce a jiných velikostí, které budou zajišťovat přehlídkové pozorovací kampaně. Pro nízké frekvence 50 MHz až 350 MHz se počítá s řídkými poli dipólových antén SAA (Sparse Aperture Array). Na středních frekvencích budou provozována tzv. hustá aperturní pole DAA (Dense Aperture Array) – větší množství antén spojených do jediného celku.

Nejčastější typ antén – klasické mísy Zdroj: SKA/SPDO/SAP.

Řídké aperturní pole, nízkofrekvenční dipóly. Zdroj SKA/SPDO/SAP.

Husté aperturní pole pro střední frekvence DAA. Zdroj SKA/SPDO/SAP.

V obou lokalitách bude dodržena stejná topologie rozmisťování antén. V centrální oblasti o průměru cca 10 kilometrů bude soustředěna celkem polovina sběrné plochy a budou zde zastoupeny oblasti se všemi druhy antén, tj. mísami, a hustými i řídkými aperturními poli. Hustota antén bude výrazně klesat až do vzdálenosti 180 kilometrů od centra, kde bude pokryto už 75 procent veškeré sběrné plochy. V ještě větších vzdálenostech budou antény rozmisťovány jen v oddělených stanicích, a ty se budou po pěti spirálách z centra vzdalovat až do poslední stanice umístěné ve vzdálenosti 3 000 kilometrů od centra. Na každé stanici bude minimálně 20 mís a jedno husté aperturní pole.

Centrální oblast SKA. Zdroj SKA/SPDO/SAP.

Nejvzdálenější stanice v australské části bude na Novém Zélandu. Nejvzdálenější stanice v jihoafrické části budou v Botswaně, Ghaně, Keni, Madagaskaru, Mauritiu, Namíbii a Zambii. V obou lokalitách se nestaví na zelené louce. Australská část vyrůstá v okolí radioastronomické observatoře Murchison, kde bylo jako předskokan postaveno radioteleskopické pole ASKAP (Australian Square Array Pathfinder) skládající se ze 36 stejných parabol o průměru 12 metrů a sběrné ploše 4 000 m². Toto pole bylo vybudováno v letech 2009 až 2012 a stane se součástí budovaného pole SKA. V africké části bude centrum v okolí lokality Karoo, kde bylo v roce 2013 zprovozněno prvních 7 antén pod názvem KAT-7 (Karoo Array Telescope). Ty se staly základem nyní budovaného pole MeerKAT o 64 anténách s průměrem 13,5 metru. Na konci roku 2017 bylo 16 antén funkčních. Název MeerKAT je slovní hříčkou, KAT samozřejmě znamená „Karoo Array Telescope“. Slovo „meerkat“ je pojmenování pro malou šelmu, surikatu, žijící hojně v místech, kde se radioteleskopické pole staví. Pole MeerKAT se opět v budoucnu stane součástí budovaného pole SKA.

Stavba radioteleskopického pole SKA je plánována do tří etap. První proběhne v letech 2018 až 2023. Za první dva roky by mělo být postaveno 500 antén v australské části a 200 antén v jihoafrické části a v roce 2020 by měla být rozestavěná síť už provozována. Druhá fáze by měla končit v roce 2030 a pole SKA by mělo v té době mít kompletně hotovou části pro nízké a střední frekvence. Poslední etapa po roce 2030 by měla celé kolosální dílo dovést do zdárného konce. Finální radioteleskopické pole by mělo mít rozlišovací schopnost padesátkrát vyšší než Hubblův teleskop v optické oblasti a být neporovnatelně citlivější než stávající radioteleskopická pole. V takovém světle se 2 miliardy euro, které bude toto dílo stát, jeví jako velmi lukrativní investice.

Jihoafrické pole MeerKAT, základ budoucího pole SKA. Zdroj SKA/SPDO/SAP.

A na co se můžeme těšit?

Tak nákladná a obrovská radioteleskopická síť umožní vědecký výzkum v oblastech nedosažitelných současnými přístroji. Uveďme pět základních okruhů vědeckého výzkumu: Po velkém třesku následoval temný věk trvající od 400 tisíc roků do 550 milionů roků. Na jeho konci se rodily první hvězdy, jejichž vznik by mohl být přímo pozorován radioteleskopickým polem SKA. Druhým okruhem je hledání gravitačních vln na základě změn časového signálu pulzarů. Pulzary v naší Galaxii slouží jako téměř ideální zdroje časového signálu. Při průchodu tohoto signálu gravitační vlnou dochází k charakteristickým deformitám, které by měly být polem SKA pozorovány. Třetí oblastí je mapování výskytu vodíku v miliardách galaxií ve vesmíru. Výsledkem by měly být nejen informace o vývoji galaxií, ale i monitorování vzniku velkorozměrových struktur a přesnější popis zrychlené expanze vesmíru. Jako čtvrtý v pořadí bude v plánu výzkum temné hmoty a její mapování z gravitačního čočkování elektromagnetického signálu velmi vzdálených objektů. Posledním z hlavních cílů je pokusit se zjistit, za jakých podmínek ve vesmíru vznikají magnetická pole. To je zásadní otázkou, na niž v současnosti neznáme odpověď. Na přítomnost polí je citlivá polarizace signálu z různých zdrojů a tudy by mohla vést cesta k pochopení původu magnetického pole. Uvedených pět oblastí je sice pro výzkumné cíle SKA stěžejních, ale počítá se i s astrobiologií, astrochemií složitých molekul, se studiem exoplanet a s mnoha dalšími oblastmi astronomie. Radioteleskopické pole SKA bude mít takovou citlivost, že by zaznamenalo obyčejný letištní radar ze vzdálenosti několika desítek světelných roků. Další generace astronomů se tedy mají na co těšit.

Na videu si můžete prohlédnout pole radioteleskopů SKA. Dobře patrné jsou všechny tři druhy antén, centrální část hustě pokrytá radioteleskopy i větve stanic rozvíjející se po spirálách z centra. Zdroj: SKA. (mp4/h264, 35 MB)

Odkazy