Najväčší vesmírny rádioteleskop pripravený na štart

15.7.2011
prečítané 13592x

Z Bajkonuru v pondelok odštartuje do kozmu astrofyzikálne observatórium, ktoré desaťtisícnásobne prekoná rozlišovaciu schopnosť Hubblovho teleskopu.

Pasca difrakcie

Keď som si ešte ako žiak základnej školy skonštruoval z lacných okuliarových šošoviek môj prvý “galileovský” astronomický ďalekohľad, očakával som, že s ním uvidím vo vesmíre snáď všetko.

„Zväčšenie ďalekohľadu je predsa dané iba pomerom ohniskových vzdialeností objektívu a okulára,“ uvažoval som - a tento pomer som bol v túžbe po astronomických objavoch odhodlaný zväčšovať hoci aj do nekonečna.

Po prvom nadšení z pomerne dobre viditeľných kráterov na Mesiaci, fáz Venuše či značného nárastu počtu hviezd v Plejádach – nasledovalo sklamanie. Pokusy vyhnať zväčšenie môjho ďalekohľadu ad absurdum končili v podobe stále rozmazanejšieho obrazu – miesto kanálov na Marse či pásov na Jupiteri som videl stále rozmazanejšiu, mdlú škvrnu. Vytriezvenie prichádzalo s postupným oboznamovaním sa s celou plejádou optických chýb systému jednoduchých šošoviek, obmedzeniami v dôsledku atmosférických podmienok a až nakoniec prišlo poznanie najkrutejšie – čím ostrejší obraz chcem dosiahnuť, tým väčší priemer optického systému je potrebný, lebo ostrosť môjho obrazu zdegradovali kruté fyzikálne zákonitosti, skrývajúce sa za nepriateľsky znejúce cudzie slovo „difrakčný limit“. Dovtedy som si myslel, že sa astronómovia naháňajú za veľkými priemermi zrkadiel svojich legendárnych teleskopov na Mount Palomare či Mauna Kea iba kvôli nedostatku fotónov z ďalekých, slabulinkých vesmírnych objektov.

„Čím väčšiu plochu zrkadla použijú, tým viac fotónov zachytia a pošlú do ohniska a tým jasnejší obraz dostanú,“ bolo moje – síce správne, avšak neúplné vysvetlenie potreby veľkých zrkadiel, lebo sa zaoberalo len energetickou stránku problému, teda sústredením čo najväčšieho množstva energetických balíčkov - fotónov do ohniska. Lenže ony tie čertovské fotóny sú nielen balíčkami energetickými, oni sú zároveň aj balíčkami vlnovými a ako také si považujú za povinnosť vzájomne reagovať - interferovať. A práve toto spôsobuje, že aj ten úplne dokonalý ďalekohľad zobrazí bodový zdroj nie ako bod, ale ako kotúčik, ktorého priemer je priamo úmerný pozorovanej vlnovej dĺžke a nepriamo úmerný priemeru zrkadla či objektívu (apertúre) ďalekohľadu. Veľký ďalekohľad teda zobrazí bodový zdroj ako menší kotúčik a dva blízke bodové zdroje (napr. dvojhviezdu) zobrazí ako dva ešte odlíšiteľné kotúčiky, zatiaľ čo malý ďalekohľad zobrazí tú istú dvojicu iba ako jednu neostrú machuľu. Uhlové rozlíšenie sa teda udáva schopnosťou ešte rozlíšiť dva blízke body a napríklad pre Hubblov teleskop s primárnym zrkadlom o priemere 240 centimetrov je to asi 0,08 oblúkovej sekundy, čo v praxi znamená, že napr. na povrchu 380000 km vzdialeného Mesiaca by mal odlíšiť dve žiarovky vzdialené od seba asi 150 metrov, alebo pri (hypotetickom) pohľade z Bratislavy do 300 km vzdialených Košíc by rozlíšil dve sviece vzdialené od seba asi dvanásť centimetrov. Pravda, Hubblov teleskop má hlavnú konkurenčnú výhodu v tom, že sa v kozme nedíva cez rušivú zemskú atmosféru a jeho rozlišovaciu schopnosť ozaj obmedzuje iba jeho difrakčný limit.

Takže nielen snaha zachytiť čo najviac elektromagnetickej energie, ale aj snaha dosiahnuť čo najväčšie rozlíšenie núti astronómov budovať čo najväčšie ďalekohľady a rádioastronómov čo najväčšie rádioteleskopy, keďže interferencia resp. difrakcia je všeobecne platným javom pre elektromagnetické vlny všetkých vlnových dĺžok.

Interferometria

Pochopenie interferencie ako limitujúceho faktora však zároveň priviedlo astronómov k úvahám zlepšiť uhlovú rozlišovaciu schopnosť nielen neúnosným zväčšovaním priemeru zrkadiel, čo je technicky ťažko realizovateľné, ale súčasným pozorovaním ďalekého objektu z rôznych „uhlov pohľadu“ pomocou viacerých, vzájomne vzdialených, avšak vhodne prepojených teleskopov. A čuduj sa svete – aj keď každý z týchto teleskopov vyrobí z toho istého objektu svoju nezreteľnú machuľu, superpozíciou (interferenciou) týchto nezreteľných machúľ možno získať podstatne ostrejší obraz a ostrosť tohto obrazu je porovnateľná s ostrosťou virtuálneho obrieho teleskopu takého priemeru, aká je vzájomná vzdialenosť týchto jednotlivých poloslepých teleskopov. A takto nejako sa zrodila interferometria, ktorá je mocným nástrojom astronómie na rôznych vlnových dĺžkach. Pravda, optické interferometre sa realizujú ťažšie, pretože obrazy jednotlivých optických teleskopov je nutné priviesť do interferenčného bodu neobyčajne precíznymi optickými cestami. Ale aj toto už dnešná astronómia prekonáva a medzi úspechy optickej interferometrie patrí napr. zobrazenie štruktúr (svetlých škvŕn) na povrchu známeho červeného superobra Betelgeuze (alfa Ori), ktorý je vzdialený 640 svetelných rokov.

Rádiointerferometria a problém s „koncom sveta“

Obrovský rozmach zaznamenala interferometria najmä v rádioastronómii, keďže elektromagnetické vlny podstatne väčších vlnových dĺžok (a teda nižších frekvencií) ako má svetlo, je možné oveľa ľahšie digitálne spracovávať. Dokonca je možné „rádiové obrazy“ z jednotlivých rádioteleskopov interferometrického systému zaznamenať na médium a spracovať (interferovať) ich neskôr, čiže offline. Tu je však veľmi dôležitá superpresná časová synchronizácia záznamov, preto sa v rádiointerferometrii uživia aj tie najpresnejšie atómové hodiny, aké na tejto planéte dostať.

Hlad po čo najvyššej rozlišovacej schopnosti dohnal rádioastronómov k budovanie stále vzdialenejších teleskopov ich interferometrického systému a tak sa LBI (Long Base Interferometry) so vzdialenosťami teleskopov v kilometroch či desiatkach kilometrov postupne preklasifikovala na VLBI (Very Long Base Interferometry), kde do hry už vstúpili tisíce kilometrov. A dokonca sa už objavil ďalší prirodzený limit, keď rádioastronómovia narazili na „koniec sveta“, keďže na umiestnenie dvojice teleskopov im začal byť malý už aj celý zemský priemer (ca. 12700 km). Rozhodujúca je totiž ich priestorová vzdialenosť (t.j. skrz zemeguľu) a umiestniť dva teleskopy ďalej od seba na Zemi - sa jednoducho už nedá....

Báza rádiointerferometra a problém s "koncom sveta".

ULBI ?

No nebol by to človek, keby sa nepokúsil prekonať aj tento „koniec sveta“ ? Riešením je samozrejme vyslanie rádioteleskopu ďalej od Zeme do vesmíru. A práve o toto ide vesmírnemu astrofyzikálnemu satelitu Spektr-R (RadioAstron), ktorého štart ďaleko za „koniec zemeguľovského sveta“ už odpočítavajú na kozmodróme Bajkonur. Priemer jeho parabolickej antény je desať metrov, čo je dole na zemi nie až tak veľa, avšak na vesmírne podmienky je skutočne obrovský a jeho parabolická anténa bude ďaleko najväčšia, aká kedy bola vynesená do vesmíru. Takú veľkú anténu samozrejme nesprace do nákladného priestoru žiaden z vesmírnych nosičov, preto inžinieri z Lavočkinovho centra v Moskve skonštruovali dômyselnú skladačku z 27 segmentov, ktorá sa na orbite automaticky zloží do presnej desaťmetrovej paraboly. Nutnými súčasťami tohto rádioteleskopu sú samozrejme veľmi citlivé detektory rádiových vĺn, spomínané superpresné atómové hodiny a sofistikované systémy orientácie a stabilizácie, ktoré umožnia teleskop presne nasmerovať na vzdialené vesmírne rádiové objekty. A jedným z najdôležitejších parametrov je samozrejme orbita, jej najväčšia vzdialenosť od Zeme (apogeum) je 350000 km, teda už porovnateľná so vzdialenosťou Mesiaca, čo sa aj prejaví jeho nezanedbateľným vplyvom na vývoj tejto orbity. No a pre rádioastronómov bude Spektr-R v apogeu tým najvzdialenejším teleskopom ich nového gigantického VLBI interferometra, samozrejme v súčinnosti s pozemnými rádioteleskopmi. A interferometer s bázou dlhou až 350000 kilometrov hádam čoskoro pomenujú ULBI (Ultra Long Base...).

Myšlienka vesmírneho VLBI interferometra sa objavila ešte v sedemdesiatych rokoch 20. storočia a samotný satelit Spektr-R bol dlho konštruovaný už od 80-tych rokov, k jeho konečnej realizácii napokon prispelo vyše 20 krajín a množstvo astronomických a astronautických inštitúcií, včítane Európskej kozmickej agentúry ESA, ktorá dodala spomínané presné atómové hodiny - tzv. rubídiový časový normál. A ako je to vlastne s rozlišovacou schopnosťou tohto ULBI interferometra ? Vzhľadom na enormnú dĺžku jeho bázy, pri najkratšej vlnovej dĺžke 1,35 cm dosiahne rozlíšenie len 8 milióntin oblúkovej sekundy, čím prekoná rozlíšenie Hubblovho teleskopu asi desaťtisíckrát.

Galaxia M87 ako ju vidí Hubblov teleskop v optickej oblasti a jej podstatne detailnejšia štruktúra z VLA rádiového interferometra na území USA. Dole je voči VLA ešte asi 30000-krát zväčšený obraz jadra galaxie VLBI interferometrom, ktorého teleskopy už sú rozmiestnené po celej zemeguli (no stále ešte "len na Zemi"). Zreteľný výtrysk (jet) hmoty doprava hore zrejme poháňa čierna diera v jadre galaxie. (Kredit: Wikipedia)

Po čom rádioastronómovia túžia...

Stavba a prevádzka obrieho interferometra s novým ultra-vzdialeným členom na vesmírnej orbite nie je lacná záležitosť, no od výrazného zlepšenia rozlišovacej schopnosti si astronómovia sľubujú pozorovať veľmi zaujímavé javy extrémneho vesmíru spojené s čiernymi dierami, supernovami, neutrónovými hviezdami, kvazarmi či rádiogalaxiami, ktoré sú primalé či priveľmi vzdialené, takže sa doteraz nachádzali pod rozlišovacou schopnosťou dnešných "pozemských" VLBI interferometrov. Túžba po poznaní je prisilná, aby tie vzrušujúce objekty a javy tam ďaleko v hlbinách vesmíru nechali len tak, nespoznané, nevidené. Kto chce pochopiť, musí najprv uvidieť...

RadioAstron v kozme - umelecká vízia (Kredit: FIAN)

A ešte pozor: ak vám niekto povie, že interferometer je ekvivalentný s gigantickým teleskopom rovnakého priemeru, ako je vzdialenosť jednotlivých teleskopov interferometra - nie je to celkom pravda. On má iba porovnateľné rozlíšenie, ale jeho svetelnosť je ďaleko menšia, lebo porovnateľnú obrovskú plochu na zber fotónov či rádiových vĺn nemožno ničím nahradiť. Takže ani vysoké rozlíšenie nie je všetko a preto tie ďaleké malé vesmírne objekty musia mať aj dostatočný jas, aby sa nám celkom neutopili v šume detektorov.

RadioAstron krátko pred dokončením v moskovskom NPO Lavočkin (Kredit: NPO Lavočkin)

Pohľad na aktívnu plochu 10-metrovej antény (Kredit: NPO Lavočkin)

Prípravy RadioAstronu na pripojenie k raketovému stupňu Fregat SB (Kredit: Roskosmos)

Na palube vesmírneho observatória

Ruský vesmírny program už toho prežil veľa, mezi jeho najväčšie úspechy patrí prvý objekt na orbite (1957), prvé dopravenie objektu na Mesiac (1959), prvý človek vo vesmíre (1961), prvé pristátie na Venuši (1966) či na Marse (1971). Samozrejme boli aj neúspechy, viaceré aj s ľudskými obeťami alebo obrovskými materiálnymi stratami. K nesporným pozitívam ruského vesmírneho programu však patrila snaha podeliť sa o svoje vesmírne aktivity aj s inými krajinami, čo bolo spočiatku motivované najmä politicky a obmedzovalo sa na krajiny východného bloku v rámci programu Interkozmos, avšak už v 80-tych rokoch došlo k podstatne širšej internacionalizácii a pri príprave ruských satelitov ste mohli stretnúť vedcov a inžinierov prakticky z celého sveta. Samozrejme nechýbalo vtedajšie Československo, dokonca malo nadštandardné postavenie, dôkazom čoho bolo aj vyslanie prvého nie-sovietskeho občana, československého kozmonauta Vladimíra Remeka do vesmíru. Podstatne viac aktivít však prebiehalo v oblasti vedeckých satelitov, na palube ktorých pracovalo mnoho československých vedeckých aparatúr. Doba sa zmenila, Interkozmos už oficiálne neexistuje, avšak zachovalo sa mnoho väzieb, medzi osobami, medzi výskumnými laboratóriami, vďaka ktorým ruskí vedci nezriedka ponúknu miesto na palube svojich satelitov aj zahraničným kolegom. A takto sa bývalé Československo dodnes podieľa na ruskom kozmickom programe, veď aj na palube vesmírneho observatória Spektr-R už na štart čaká monitor slnečného vetra BMSW z pražskej Karlovej univerzity a spektrometer kozmických energetických častíc MEP-2 z košického Ústavu experimentálnej fyziky SAV. Tieto aparatúry sa však nebudú podieľať na rádiointerferometrických pozorovaniach ďalekého vesmíru, ale vďaka výhodnej orbite satelitu budú monitorovať vesmír podstatne bližší, vlastne naše oveľa bezprostrednejšie životné prostredie v Slnečnej sústave, ktoré naša centrálna hviezda tak veľmi ovplyvňuje svojou premenlivou aktivitou, že dnes už bežne hovoríme o kozmickom počasí. Ale to je už celkom iný príbeh...