Obserwacje radiowe w praktyce

RT-4
Radioteleskop RT-4 o średnicy 32m. Piwnice k/Torunia.
Fot. Karolina Zawada
W Orionie pisaliśmy niedawno o nowych doniesieniach tygodnika "Science", dotyczących zmierzenia odległości do układu podwójnego SS Cygni. Skupiliśmy się wówczas na naukowej stronie odkrycia. Jednak, aby móc napisać, że układ znajduje się w odległości 370 lat świetlnych od Ziemi,  pomiary tego obiektu prowadzono przy użyciu wielu teleskopów, w tym największego polskiego radioteleskopu z obserwatorium toruńskiego.  Poprosiliśmy panią Grażynę Gawrońską, wieloletniego operatora toruńskiego radioteleskopu oraz specjalistę w radiowych obserwacjach Słońca, aby opisała jak wygląda praca operatora radioteleskopu.

Centrum Astronomii  Uniwersytetu Mikołaja Kopernika znajduje się w Piwnicach k/Torunia. W jego skład wchodzą  dwie katedry : Katedra Astronomii i Atrofizyki, gdzie obserwuje się Wszechświat na falach optycznych oraz Katedra Radioastronomii, gdzie źródłem informacji o niebie są fale radiowe. Współcześni astronomowie równie często spoglądają na niebo co na ekran komputera. A niezachmurzone niebo nocą wygląda bardzo romantycznie, szczególnie dla zakochanych. Jeśli jednak spojrzymy na nie radioteleskopami, to zaskakuje nas fakt, że Wszechświat jest bardzo dynamiczny.

Na falach radiowych możemy obserwować bardzo rozrzedzoną materię. Np. obserwując naszą najbliższą gwiazdę, Słońce, optycznie widzimy ją jako rozgrzaną kulę gazową. Natomiast na falach radiowych zauważamy rozległą atmosferę (chromosferę i koronę), w której obserwujemy potężne burze szumowe, wiatry, wyrzuty materii z wnętrza kuli gazowej. Podobne procesy zachodzą wokół
innych gwiazd. Także w skład galaktyk wchodzą ogromne obłoki gazu i pyłu. Obrazy galaktyk na falach radiowych mają o wiele większe rozmiary niż oglądane przez teleskopy optyczne. Fale radiowe niosą informacje niedostępne w zakresie optycznym. Z wnętrza galaktyk również wyrzucane są strugi rozpędzonej materii. Chcąc to wszystko zobaczyć korzystamy z radioteleskopów.

Obecnie w Piwnicach intensywnie pracuje radioteleskop RT-4 typu Cassegraina. Pierwotne lustro radioteleskopu to czasza o średnicy 32 m o kształcie paraboloidy obrotowej a wtórne hiperboloidalne o 10-ciokrotnie mniejszej średnicy umieszczone w ognisku czaszy pierwotnej. Na dnie dużej czaszy znajduje się kabina, na której umieszczone są systemy odbiorcze o obserwowanych przez nas długościach fal: 1, 1.35, 5, 6, 18 i 21 cm, co odpowiada częstotliwościom 30, 22, 6.7, 5, 1.8, 1.4 GHz. Na falach 1.35 cm obserwujemy molekuły wody, na 21cm atomowy wodór, na 5cm molekuły metanolu a na 18 cm molekuły wolnego rodnika OH we Wszechświecie.

Po odebraniu przez antenę sygnału z Kosmosu o danej długości fali, sygnał przesyłany jest do radioodbiornika na antenie, a następnie do dalszych urządzeń umieszczonych w sterowni, która znajduje się w budynku Katedry Radioastronomii odległym o 200m od radioteleskopu. Radioodbiornik działa na podobnej zasadzie jak nasze domowe radio. Jednak jest on o wiele większych rozmiarów i audycje przez niego odbierane są raczej mało zrozumiałe. Radioodbiornik ma szerokie pasmo przenoszenia, zwykłe radio bardzo wąskie, radioodbiornika odbiera obie polaryzacje, zwykłe radio tylko jedną. Radioodbiornik w przeciwieństwie do zwykłego radia nie korzysta z głośnika. Dlatego informacje dostarczane nam przez RT-4 i przekazane do radioodbiornika kieruje się do komputerów i przetwarza się za pomocą odpowiednich programów na obraz. 

Wszechświat cały czas przekazuje nam audycje radiowe podobnie jak nasze radio lub TV w domu. Z tą różnicą, że na Ziemi mamy konkretne programy nadawania i wiemy, czego chcemy słuchać,
natomiast, żeby zrozumieć co mówi do nas Kosmos, musimy się sporo natrudzić. Obecnie każdy korzysta z radioteleskopu jakim jest antena satelitarna podłączona do telewizora przekształcającego sygnał radiowy na obraz. Antena satelitarna ma niewielkie rozmiary, bo nadawany sygnał jest niezauważalnie blisko w skali Wszechświata.

Jak w praktyce przeprowadza się radioobserwacje?

Fale radiowe mogą być odbierane przez całą dobę, niemal niezależnie od pogody,  więc teleskop pracuje przez 24 godziny dziennie przez 7 dni w tygodniu.  Astronomowie z Katedry Radioastronomii oraz ich współpracownicy z kraju czy zagranicy ustalają jakie obiekty i kiedy będą obserwowane. Naukowcy w Katedrze zajmują się badaniem zmiany gęstości strumienia (zmienność źródeł), kształtu linii widmowych (spektroskopia), pola magnetycznego (polarymetria) a także pulsarów. Strumień odbierany od radioźródeł jest niezwykle słaby, bo dochodzi  do nas z olbrzymich odległości. Jego miarą jest Jansky (nazwa pochodzi od nazwiska Karl Jansky, Amerykanina, który odkrył, że źródła we Wszechświecie wysyłają fale radiowe). 1 Jansky (Jy) to 10-26 wata na sekundę i na metr kwadratowy. Najsłabsza używana przez nas żarówka w porównaniu z radioźródłami wysyła potężny sygnał.

Pracę radioteleskopu nadzoruje zespół techniczny, dbając to, żeby teleskop był cały czas sprawny. Obserwacjami natomiast zajmuje się grupa operatorów. Operator przychodząc na dyżur przejmuje służbę od poprzednika, który zgłasza ewentualne problemy. Operator sprawdza grafik obserwacji i decyduje, czy warunki meteorologiczne i stan teleskopu pozwalają na przeprowadzenie zaplanowanych obserwacji. Sprawdza, czy nie ma większych zakłóceń. Mimo, że radioteleskop umieszczony jest w tzw. obszarze ciszy radiowej, zakłóceń nie można uniknąć. Sygnał z Kosmosu zakłócają coraz częściej telefony komórkowe i inne sygnały "ziemskiej produkcji."


Operator, po zapoznaniu się z grafikiem, przygotowuje odpowiednio system odbiorczy, tzn. ustawia żądaną częstotliwość lokalnego oscylatora (co powoduje, że radioteleskop zaczyna być czuły na zadaną częstotliwość przychodzącego sygnału, a innych sygnałów "nie widzi") i inne parametry, podłącza kable na wejście do rejestratora oraz uruchomia na komputerze odpowiedni skrypt, czyli program sterujący anteną.
Operator ma przed sobą 4 monitory. Na jednym z nich śledzi ruch teleskopu odczytując współrzędne radioźródła. Sprawdza, czy teleskop jest ustawiony we właściwy punkt na niebie. Może to również zobaczyć na wyświetlanej mapie nieba. Na drugim monitorze sprawdza się na bieżąco warunki meteorologiczne, zachowanie urządzeń odbiorczych od strony technicznej  m.in.  temperaturę czy prędkość ruchu teleskopu. Odbiornik chłodzony jest do temperatur kriogenicznych wynoszących około 15K (-258C). Trzeci monitor służy do śledzenia uruchomionych skryptów i rejestracji danych. Czwarty zaś pokazuje nam wstępne wyniki obserwacji.

Można by zapytać, po co stała obecność operatora, skoro teleskop jest sterowany przez skrypty. Pojedyncze skrypty jednak wykonują swoje zadanie w ciągu  6 - 40 minut, rzadziej do 2 godzin. W trakcie trwania jednego skryptu można dokonać pomiaru wielu źródeł. Technika komputerowa także bywa czasami zawodna. Zmorą są tzw. mignięcia prądu, które mogą powodować zakłócenia sterowania lub przerwanie skryptu. Obecnie prawie wszystkie urządzenia i komputery są podtrzymywane w takich przypadkach przez UPS-y - urządzenia przejmujące na pewien czas (do 2 godzin) zasilanie elektryczne. Po tym czasie wszystko, jak operatorzy mówią, "pada" i trzeba to doprowadzić do porządku. Jeśli w niefortunnym momencie zostanie przerwany dopływ prądu, może być zagrożone bezpieczeństwo samego radioteleskopu. Wówczas specjalny przycisk, tzw. panic button, blokuje jego ruch. Na szczęście trzeba było go użyć tylko raz lub dwa. Obserwacje utrudniają również burze atmosferyczne i wichury. Wówczas trzeba jak najszybciej zatrzymać RT-4 i ustawić go do pionu. Bywają, choć rzadko, wichury powyżej 20 m/s, co jest groźne dla anteny. Tak silny wiatr, jeśli teleskop nie jest właściwie ustawiony do jego kierunku, potrafi poruszyć ważącą 600 ton anteną. RT-4 ma odpowiednie odgromniki i pioruny na ogół nie wyrządzają szkody, ale zdarza się, że podczas burzy zostają zerwane linie elektryczne. Czasem w niespodziewanych momentach zdarzają się awarie urządzeń. Jednym słowem operator musi trzymać rękę na pulsie.

W ciągu doby obserwacje wykonuje 3 operatorów. Najtrudniej jest w nocy. Szczególnie o 4-tej czy 5-tej rano, gdy człowieka zaczyna morzyć sen, można pospacerować po sterowni, bo jest dość duża, wyjść na chwilę z budynku, wypić gorącą kawę lub herbatę, a najlepiej, jeśli się uda, przespać się 3-4 godziny przed nocnym dyżurem.

Tak wyglądają obserwacje naszym pojedynczym radioteleskopem.  Nasza antena ma średnicę 32 m, gdyby czasza miała rozmiar mierzony w km, wówczas mierzylibyśmy źródła na niebie z ogromną  rozdzielczością. Ale takich teleskopów nie ma. Zamiast tego stworzono sieć radioteleskopów, który działa jak jeden, ale mocno dziurawy teleskop. Te "dziury" nie przeszkadzają, by na falach radiowych zobaczyć obiekt na niebie z doskonałą rozdzielczością. A raczej nie cały obiekt, tylko jego fragment, bo sieć radioteleskopów daje nam doskonała rozdzielczość, ale małe pole widzenia.

Radioteleskop toruński należy do ogólnoświatowej sieci  VLBI (Very Long Baseline Interferometry), w skład której wchodzą teleskopy na różnych kontynentach kuli ziemskiej.  25% czasu pracy naszej anteny zarezerwowany jest na pomiary w sesjach VLBI. Zespół radioteleskopów rozmieszczonych w różnych krajach Europy tworzy europejską sieć VLBI (EVN - European VLBI Network). Dzięki tym sieciom możemy tworzyć mapy obserwowanych obszarów na niebie i zobaczyć z bardzo dużą kątową rozdzielczością, co dzieje się z materią wokół gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk. Radioteleskop RT-4 na częstotliwości 30GHz ma rozdzielczość porównywalną z ludzkim okiem, a naziemna sieć VLBI obecnie osiąga zdolność rozdzielczą dużo poniżej milisekundy łuku.

18 lipca 2011 Rosjanie wystrzelili na orbitę okołoziemską radioteleskop o średnicy 10 m. Projekt ten nazwano RadioAstron. Jego eliptyczna orbita zmienia się od 10 000 do 390 000 km w stosunku do Ziemi. VLBI razem z RadioAstronem osiąga zdolność rozdzielczą mierzoną w mikrosekundach łuku.

Obserwacje VLBI gromadzą ogromną ilość danych, które zapisywane są już nie w pamięci zwykłych komputerów, ale na specjalnie skonstruowanych pakietach dysków o pojemności wielu terabajtów. Po skończonych obserwacjach każda stacja, która brała udział w sesji obserwacyjnej, wysyła wiele takich pakietów dysków do Holandii lub USA do specjalnego korelatora, który przetwarza dane z różnych stacji. Dane z korelatora przesyłane są wprost do astronomów, którzy  tworzą dokładne mapy obserwowanych obiektów.

Rozwój elektroniki umożliwił jeszcze inny sposób przesyłania danych do korelatora. Od kilku lat w Europie działa elektroniczna sieć VLBI tzw. e-VLBI, dzięki której światłowodem o szybkim łączu sięgającym 10Gb/s dane obserwacyjne trafiają wprost do korelatora, który wykonuje mapy w czasie rzeczywistym. Taką właśnie siecią EVN w trybie e-VLBI przy udziale toruńskiego radioteleskopu wykonywano obserwacje SSCygni. Mrówcza praca operatorów z tych stacji pozwoliła na zebranie dostatecznej ilości danych i wyznaczenie nowej odległości do układu podwójnego SS Cygni.


Grażyna Gawrońska

Liczba odsłon: 11578


Tabela pochodzi z pracy opublikowanej w czasopiśmie Science, An Accurate Geometric Distance to the Compact Binary SS Cygni Vindicates Accretion Disc Theory  autorstwa J. C. A. Miller-Jones i in. Wymienione są radioteleskopy, które brały udział w obserwacjach SSCygni. W sieci EVN wymieniony jest nasz toruński radioteleskop. Jego skrót zaznaczylismy czerwonym kółkiem. Każda stacja oznaczana jest 2-literowym skrótem, który poniżej odszyfrowujemy:

Ef - Effelsberg, Niemcy
Hh - Hartebeesthoek, RPA
Jb - Jodrell Bank, Wielka Brytania
Mc - Medicina, Włochy
Nt - Noto, Włochy
On - Onsala, Szwecja
Tr - Toruń, Polska
Wb - Westerbork, Holandia
Ys - Yebes, Hiszpania