APEX wziął udział w najdokładniejszych obserwacjach w historii

Artystyczna wizja kwazara 3C 279
Kwazar 3C 279 w wizji artysty. Astronomowie połączyli po raz pierwszy Atacama Pathfinder Experiment (APEX) w Chile, Submillimeter Array (SMA) na Hawajach (USA) oraz Submillimeter Telescope (SMT) w Arizonie (USA), aby uzyskać obserwacje centrum odległej galaktyki - jasnego kwazara 3C 279 - w najlepszej w historii zdolności rozdzielczej. Kwazary to jasne centra dalekich galaktyk, które są zasilane przez supermasywne czarne dziury. Zbadany kwazar posiada czarną dziurę o masie około miliarda razy większej niż masa Słońca. Jest tak daleko od Ziemi, że światło potrzebuje ponad 5 miliardów lat na dotarcie do nas. Naukowcy byli w stanie zbadać szczegóły w skalach mniejszych niż rok świetlny, co jest znaczącym osiągnięciem dla obiektu odległego o miliardy lat świetlnych.
ESO/M. Kornmesser
Międzynarodowy zespół astronomów zaobserwował serce odległego kwazara z niesamowitą rozdzielczością, dwa miliony razy lepszą niż zdolności ludzkiego oka. Obserwacje wykonano łącząc po raz pierwszy teleskop Atacama Pathfinder Experiment (APEX) [1] z dwoma innymi na różnych kontynentach. To ważny krok w kierunku naukowego wyzwania w projekcie „Teleskop Horyzontu Zdarzeń” [2] – wykonania obrazów supermasywnych czarnych dziur: w centrum naszej własnej galaktyki i w innych galaktykach.

Astronomowie połączyli APEX w Chile, Submillimeter Array (SMA) [3] na Hawajach (USA) oraz Submillimeter Telescope (SMT) [4] w Arizonie (USA). Udało im się wykonać najdokładniejsze w historii [5] bezpośrednie obserwacje centrum odległej galaktyki, jasnego kwazara 3C 279, który zawiera supermasywną czarną dziurę o masie około miliarda razy większej niż masa Słońca, tak dalekiego od Ziemi, że jego światło potrzebuje ponad 5 miliardów lat na dotarcie do nas. APEX to projekt w ramach współpracy Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), Onsala Space Observatory (OSO) oraz ESO. Operowanie teleskopem APEX leży w gestii ESO.

Teleskopy zostały połączone przy wykorzystaniu techniki znanej jako interferometria wielkobazowa (VLBI - Very Long Baseline Interferometry). Większe teleskopy mogą uzyskiwać obserwacje o lepszej rozdzielczości, a interferometria pozwala na działanie wielu teleskopów jako jeden, tak duży, jak odległość – albo „baza” – pomiędzy nimi. Korzystając z VLBI, można uzyskać obserwacje o największej rozdzielczości stosując największe możliwe oddalenia teleskopów od siebie. Dla obserwacji kwazara zespół użył trzech teleskopów, aby utworzyć interferometr o bazie na poziomie kontynentów, o długości 9447 km pomiędzy Chile, a Hawajami, 7174 km pomiędzy Chile, a Arizoną i 4627 km pomiędzy Arizoną i Hawajami. Podłączenie do sieci teleskopu APEX z Chile było kluczowe, gdyż umożliwiło najdłuższe bazy.

Obserwacje zostały przeprowadzona na falach radiowych o długości 1,3 milimetra. Po raz pierwszy obserwacje na falach tak krótkich zostały wykonane przy tak długich bazach. Uzyskano rozdzielczość kątową 28 mikrosekund łuku – albo około ośmiu miliardowych stopnia. Odpowiada to zdolności rozróżnienia szczegółów dwa miliony razy ostrzej niż zdolności ludzkiego oka. Obserwacje o tej rozdzielczości pozwalają na badania w skalach mniejszych niż rok świetlny, co jest znaczącym osiągnięciem dla kwazara odległego o miliardy lat świetlnych.

Obserwacje stanowią nowy krok milowy w obrazowaniu supermasywnych czarnych dziur i obszarów wokół nich. W przyszłości planowane jest połączenie w ten sposób jeszcze większej liczby teleskopów, aby utworzyć Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope). Będzie on w stanie uzyskać obraz cienia supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, a także w innych pobliskich galaktykach. Cień – ciemny obszar widoczny na jaśniejszym tle – jest spowodowany przez ugięcie światła przez czarną dziurę i może być pierwszym bezpośrednim dowodem obserwacyjnym na istnienie horyzontu zdarzeń czarnej dziury, granicy z której nawet światło nie jest w stanie uciec.

Eksperyment jest pierwszą okazją dla APEX do wzięcia udziału w obserwacjach VLBI i jest zwieńczeniem trzech lat ciężkiej pracy na wysokim na 5000 m n.p.m. płaskowyżu Chajnantor w Andach Chilijskich, gdzie ciśnienie atmosferyczne wynosi zaledwie około połowy wartości notowanych na poziomie morza. Aby przygotować APEX dla VLBI, naukowcy z Niemiec i Szwecji zainstalowali nowe cyfrowe systemy zbierania danych, bardzo precyzyjny zegar atomowy oraz utrzymywane pod odpowiednim ciśnieniem urządzenia do zapisu danych, zdolne zapisywać 4gigabajty na sekundę przez wiele godzin w bardzo trudnych warunkach otoczenia [6]. Dane – 4 terabajty z każdego z teleskopów – zostały przesłane do Niemiec na dyskach twardych i przetworzone w Max Planck Institute for Radio Astronomy w Bonn.

Zakończone sukcesem dołączenie teleskopu APEX jest istotne także z innego powodu. Dzieli on położenie i wiele aspektów technologicznych z owym teleskopem ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [7]. ALMA jest obecnie w trakcie budowy i będzie posiadać 54 anteny o tej samej 12-metrowej średnicy co APEX, plus 12 mniejszych anten o średnicach po 7 metrów. Możliwość podłączenia ALMA do sieci jest aktualnie analizowana. Z ogromnie zwiększoną powierzchnią zbiorczą anten ALMA, obserwacje mogłyby uzyskać 10 razy lepszą czułość niż wstępny test. Dzięki temu cień supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej znajdzie się w zasięgu naszych przyszłych obserwacji.

Uwagi

[1] APEX to project w ramach współpracy Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), Onsala Space Observatory (OSO) oraz ESO. Operowanie teleskopem APEX na Chajnantor zosało powierzone ESO. APEX jest testem dla teleskopu submilimetrowego następnej generacji, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), który jest właśnie konstruowany na tym samym płaskowyżu.

[2] Projekt Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope) to międzynarodowa współpraca koordynowana przez MIT Haystack Observatory (USA).

[3] Submillimeter Array (SMA) na Mauna Kea (Hawaje) obejmuje 8 teleskopów po 6 metrów średnicy każdy. Zarządają nią Smithsonian Astrophysical Observatory (USA) oraz Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (Tajwan).

[4] Submillimeter Telescope (SMT) o średnicy 10 m, na górze Mount Graham w Arizonie, jest zarządzany przez Arizona Radio Observatory (ARO) w Tucson w Arizonie (USA).

[5] Używano pewnych pośrednich technik do badania w jeszcze dokładniejszych skalach, na przykład mikrosoczewkowania (zobacz heic1116) albo scyntylacji międzygwiazdowych, ale tutaj mamy do czynienia z rekordem dla obserwacji bezpośrednich.

[6] Systemy te zostały równolegle opracowane w USA (obserwatorium MIT-Haystack) i w Europie (MPIfR, INAF — Istituto di Radioastronomia Noto VLBI Station oraz HAT-Lab). Standard czasu masera wodorowego (T4Science) został zaintsalowany jako bardzo precyzyjny zegar atomowy. SMT oraz SMA były już w podobny sposób wyposażone na potrzeby VLBI.

[7] Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), międzynarodowe astronomiczne urządzenie badawcze, jest partnerstwem pomiędzy Europą, Ameryką Północną i Azją Wschodnią, we współpracy z Chile. ESO jest europejskim partnerem ALMA.


Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 1684