Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 47 – vyšlo 31. prosince, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Těžký život radioastronoma

Dana a Rudolf Mentzlovi

Bulletiny konce roku jsou již tradičně zasvěceny lehčím až absurdním tématům, které ne vždy korespondují s pravým stavem věcí v nezpochybnitelné vazbě. Cíl je jediný, pobavit čtenáře. V záři reality úředních nedomyšleností však pohasíná i nespoutaná fantazie. Nevymýšlejme si tedy a podívejme se, k jakým koncům může vést i jinak celkem neškodné zkoumání vesmírných rádiových zdrojů.

Poštovní známka. Zdroj: Wikipedie.

Radioteleskop Effelsberg – největší pohyblivý radioteleskop v Evropě, postavený v roce 1971. Průměr paraboly je 100 m. Nach8y9 se v německém pohoří Ahr. Kolem teleskopu je 150 km ochranné pásmo s omezenou radiokomunikací, aby nedocházelo ke kontaminaci signálu.

LOFAR – Low Frequency Array, síť rádiových antén s jednoduchou pyramidovou konstrukcí fungující jako obří radiointerferometr rozprostřený po celé Evropě. Oficiální inaugurace nizozemskou královnou Beatrix proběhla dne 12. června 2010. Počet antén dnes dalece přesahuje 10 000. Na frekvencích 120 až 200 MHz se zaměřuje na zkoumání signálů z období reionizace vesmíru.

BOS – Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, organizace zaměřená na zvládání krizových situací, zejména přírodních katastrof. Činná je na území Německa, Rakouska a Švýcarska.

BOS-Funk – rádiová síť využívaná krizovou organizací BOS při řešení přírodních katastrof. Vývoj byl započat již v době druhé světové války.

Největší pohyblivý radioteleskop v Evropě

V roce 1971 byl v tehdy Západním Německu uveden do provozu největší pohyblivý radioteleskop světa. Teprve v roce 2000 ho překonal radioteleskop v Green Banku. Se svými sto metry průměru mu však i nadále zůstává evropské prvenství. Postavený je uprostřed lesů, asi kilometr od vesničky Effelsberg, po které také nese svůj název.

Parabolická část je vyložena 2 360 panely a i s podpůrnou konstrukcí váží 1 950 tun. Není se tedy čemu divit, že se vlastní vahou deformuje. Situace je o to komplikovanější, že je radioteleskop pohyblivý a tudíž jde o deformace dynamické. Při pozorování různými směry se tvar antény mění. S tím samozřejmě strojní inženýři počítali již ve fázi projektu a dokázali navrhnout konstrukci tak, aby se mísa radioteleskopu deformovala vždy do parabolického tvaru. Při jakémkoli natočení antény tak zůstane zachována její nejdůležitější vlastnost – soustředit odražené paprsky do jednoho bodu. Při pozorování pak stačí jen posunout přijímač do ohniska. Střední odchylka od ideální plochy by neměla být větší než jeden milimetr. Konstrukci se nakonec podařilo smontovat natolik přesně, že nyní je odchylka pouhých 0,6 mm.

Hvězdárny se svými optickými dalekohledy je zvykem stavět na vyvýšených místech. Radioteleskop Effelsberg je naopak utopený mezi kopci pohoří Ahr. Sousední kopec převyšuje jeho patu o téměř 80 m a ostatní geologické útvary v okolí si s ním nezadají. Důvod je prostý – snaha co nejvíce odstínit teleskop od vlivu civilizace. Radioastronomie běžně pracuje s velice malými výkony. Reklamní upoutávky uvádějí, že třetí rádiově nejsilnější objekt na obloze odpovídá svou jasností mobilu zapnutému na povrchu MěsíceMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl).. Kolem radioteleskopu je ochranné pásmo, kam nesmí ani zajíždět automobily, aby elektrickým zapalováním nerušily pozorování. V největším ochranném pásmu o poloměru 150 km je předpisem rádiová komunikace omezena a v okolí 30 km od radioteleskopu je dokonce blokována mobilní síť Iridium.

Radioteleskop Effelsberg je umístěný mezi kopci, aby bylo na maximum omezeno rádiové rušení z civilizovaných končin. Zdroj: archiv autorů.

Radioteleskop není jediné radioastronomické zařízení, které zde nalezneme. V effelsbergském regionu je jedno z prvních stanovišť sítě LOFARLOFAR – Low Frequency Array, síť rádiových antén s jednoduchou pyramidovou konstrukcí fungující jako obří radiointerferometr rozprostřený po celé Evropě. Oficiální inaugurace nizozemskou královnou Beatrix proběhla dne 12. června 2010. Počet antén dnes dalece přesahuje 10 000. Na frekvencích 120 až 200 MHz se zaměřuje na zkoumání signálů z období reionizace vesmíru. (Low Frequency Array). Síť LOFAR je ztělesněním rčení za málo peněz hodně muziky. Každé stanoviště obsahuje 192 antén ukotvených v jednoduchých tyčových konstrukcích pyramidového tvaru. Antény slouží jako obří interferometrInterferometr – 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., rozmístěny jsou prakticky po celé Evropě. Jejich počet již dávno přesáhl 10 000. S úhlovým rozlišením jedné obloukové vteřiny se snaží na frekvencích 120 až 200 MHz zmapovat signály z období reionizace vesmíru (éra tvorby prvních hvězd). Ambice jsou ale mnohem větší. Zahrnují vyhledávání pulzarůPulzar – neutronová hvězda, jejíž magnetická a rotační osa nemají shodný směr. Zářící oblasti v magnetických pólech hvězdy díky rotaci vytvářejí pro pozorovatele majákovým efektem pulzy, zpravidla radiové, výjimečně až rentgenové či gama. První pulzar byl objeven v roce 1967 Jocelyn Bellovou (dnes Jocelyn Bell Burnell) pod vedením Anthony Hewishe., registraci rádiových signálů částic kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. nebo třeba pozorování SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. v rádiovém oboru.

Když se živly probudí

Letos v červnu došlo v povodí řek Ahr a Erft k živelné pohromě. Úzká říčka připomínající spíš potůček zvedla během několika desítek minut svou hladinu o šest až osm metrů. Vesnička Schuld, která jí stála v cestě, se náhle ocitla pod vodou. Předešleme, že zde jako zázrakem došlo pouze ke škodám na majetku. To se však bohužel nedá říct o zbytku povodí. Celkem si povodeň vyžádala asi stovku obětí. Osádka radioteleskopu EffelsbergRadioteleskop Effelsberg – největší pohyblivý radioteleskop v Evropě, postavený v roce 1971. Průměr paraboly je 100 m. Nach8y9 se v německém pohoří Ahr. Kolem teleskopu je 150 km ochranné pásmo s omezenou radiokomunikací, aby nedocházelo ke kontaminaci signálu. přežila bez úhony, ale horké (doslova) chvíle zažila také.

Povodeň se nevyhnula ani Effelsbergu. Zatopené pole rádiových antén sítě LOFAR.
Zdroj: Norbert Tacken/MPIfR.

Operátor radioteleskopu Ralf Kisky ten den nechtěl zůstávat v práci až do rána. Služba mu končila ve 22:00 a neměl zájem to jakkoli měnit. Když však vyhlédl ven, připadalo mu (dle jeho vlastních slov), že se ocitl v Amazonii. Effelsbergský a Rötzelský potok se vylily ze břehů a naprosto mu odřízly cestu. O něco později opět vypadla elektrika. Nebylo se čemu divit, povodeň už řádila na více místech. Pro takové případy je pracoviště samozřejmě vybaveno sekundárním zdrojem. Jenomže ten den to byl již desátý výpadek a po několika okamžicích baterie vydaly poslední nashromážděný joule.

Ralf Kisky blíže nespecifikuje, proč byla tato událost doprovozena zarachocením. Asi to nebylo to nejdůležitější, co mu v tu chvíli dělalo starosti. Operační místnost funguje jako Faradayova klecFaradayova klec – prostor obklopený vodivým materiálem, často sítí vodičů či pletivem. Takové uspořádání zamezuje průniku elektromagnetických polí oběma směry a do jisté míry funguje jako izolace od rušivých elektromagnetických vlivů. Je pojmenována po anglickém experimentátorovi Michaelu Faradayovi.. Je to tak úmyslně, bylo by hloupé, kdyby signály pracně zachytávané z vesmíru rušila samotná elektronika radioteleskopu. Z logiky věci plyne, že zde jsou koncentrována prakticky všechna elektrická zařízení. Jinými slovy, veškerý elektrický výkon je směrován právě sem a náležitě místnost ohřívá. Když dojdou baterie a zastaví se chlazení, naskočí automaticky další zdroj – agregát. Na rozdíl od baterií vydrží sice podstatně déle, ale také mu déle trvá, než naběhne. Trvá to sice jen pár minut, ale Ralfu Kiskymu se zdálo, že je pozoruje z nějaké zvláštní souřadné soustavy, kde běží čas pomalu. Během pauzy, kdy neběžela klimatizace, dokázala rozehřátá elektrická zařízení vytopit místnost na 47 °C. Otevřít dveře ve snaze vyvětrat, by znamenalo vytopit ji ještě úplně jiným způsobem. A do toho telefon…

Do věci se vkládá armáda

Po pravdě řečeno, ten telefon nepřišel právě v onen kritický okamžik, to jen zapůsobil smysl autorů pro drama. Zrovna tak, jako na druhém konci nebyl rozeřvaný obersturmbannführer Ketschke, nýbrž řadový úředník Bundeswehru. Šlo o to, že na boj s povodní byla povolána německá armáda. Na celém povodí obou řek její technika zachraňovala, co ještě zachránit šlo, a snažila se zabránit dalším škodám. Na několika místech byly nasazeny tanky k odklízení trosek. To vše bylo třeba nějak koordinovat, ale v chráněném pásmu kolem radioteleskopu Effelsberg se na mobilních telefonech sítě Iridium objevovala pouze hláška, že hovor není možné uskutečnit. Úvaha pracovníků Bundeswehru byla jednoduchá. Rádiová komunikace je blokována kvůli radioteleskopu, zavoláme tedy na radioteleskop, aby nám mobily zapnuli.

Radioastronomové by jim samozřejmě rádi vyhověli, zvláště, když sami bydlí v zatopené oblasti. Potíž byla v tom, že není v jejich silách blokaci vypnout. Radiová komunikace v okolí radioastronomických observatoří je regulována mezinárodními dohodami. Bundeswehru bylo doporučeno, aby se obrátil na Bundesnetzagentur, tedy na spolkovou síťovou agenturu, která je v Německu nejvyšším úřadem pro telekomunikace. Tamní úředníci by měli mít přehled, jakými mezinárodními smlouvami je rádiová komunikace v okolí Effelsbergu omezena a jaká platí ustanovení pro živelné pohromy. Jedině Bundesnetzagentur může požádat provozovatele sítě Iridium o zrušení blokace. Nakonec musí ještě proběhnout naprogramování v USA, uvádí oficiální prohlášení Společnosti Maxe Plancka.

Bundesnetzagentur sděluje, že požadavek záchranářů byl nahlášen tři dny po začátku povodně. Schválení agenturou proběhlo ještě tentýž den, ale používání telefonu Iridium bylo možné až za 24 hodin po schválení. Články v médiích byly však na tyto podrobnosti skoupé, čtenáři si museli vystačit s palcovými titulky „Kosmický výzkum brání pomocníkům v záplavových oblastech“.

Pravý stav věci tak tragický nebyl. Německá armáda již za války vyvinula a dosud zdokonaluje krizovou komunikační síť BOS-radioBOS-Funk – rádiová síť využívaná krizovou organizací BOS při řešení přírodních katastrof. Vývoj byl započat již v době druhé světové války. (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben – Funkrichtlinie). Ta nejen, že počítá s různými ochrannými pásmy, ale speciálně pro effelsbergský region jsou určeny jasně stanovené frekvence pro použití. Rádio BOSBOS – Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, organizace zaměřená na zvládání krizových situací, zejména přírodních katastrof. Činná je na území Německa, Rakouska a Švýcarska. bylo nakonec také nasazeno a pomohlo záchrannou akci úspěšně dokončit. Celá příhoda s sebou nese jedno důležité poučení. Každý systém se časem stává komplikovaným a po určité době mu sami autoři i uživatelé z mnoha důvodů přestávají rozumět a nepostihnou všechny jeho detaily. Zná to každý programátor, který se neodváží zasáhnout do funkcí starších rok, znají to úředníci, kteří nezruší zastaralou vyhlášku, protože není jasné, co všechno ovlivňuje. Zdá se, že kritickou hranici komplexnosti překročila i komunikace v okolí radioastronomických observatoří.

Letecká prohlídka radioteleskopu Effelsberg. Zdroj: Sky Concepts/Dominik Ketz.

Odkazy