Přístroje moderní radioastronomie

Autor:  Miroslav Bárta, Astronomický ústav AV ČR, v.v.i., observatoř Ondřejov
Publikováno:  30. 12. 2013 - ČÁST 4.
Zdroj: psáno pro Hvězdárnu Valašské Meziříčí v rámci projektu Se Sluncem společně, prosinec 2013, pro server www.pozorovanislunce.eu

ČÁST 1. - Sluneční radioastronomie v éře ALMA - úvod a emisní mechanismy

ČÁST 2. - “Klasická” radioastronomická pozorování Slunce

ČÁST 3. - Přístroje moderní radioastronomie - ALMA

ČÁST 4. - Přístroje moderní radioastronomie

Další přístroje

ALMA je jistě nejvýznamnějším moderním přístrojem, kombinujícím zobrazení s vysokým rozlišením s informací o spektru registrovaného záření, přítomnosti i blízké budoucnosti. Není ale jediným přístrojem tohoto druhu, který je či byl projektován nebo dokonce realizován. Také se sluší říci, že to není přístroj dedikovaný slunečním pozorováním, ta budou pravděpodobně tvořit jakýsi doplňkový program k primárním cílům observatoře ALMA, jimiž jsou objekty chladného Vesmíru. Pojďme se tedy stručně podívat na další projekty přístrojů pro spektro-interferometrická pozorování, zejména na ty zaměřené na výzkum Slunce.

FASR

FASR (Frequency-Agile Solar Radiotelescope) je nebo – nebo spíše byl – nerealizovaný projekt spektro-interferometru založeného na multikanálové aperturní syntéze (podobně jako ALMA a vlastně všechny moderní přístroje tohoto typu). Rozsahem frekvencí 30 MHz – 30 GHz by pokrýval prakticky celou sluneční atmosféru od dolní chromosféry po vnější korónu. Nejdelší základna byla plánována na 6 km. Tomu odpovídající mezní rozlišení (při 30 GHz) je 0.3“ (obloukové vteřiny). Projekt byl navržen radioastronomickou skupinou na New Jersey Institute of Technology (NJIT) a zpočátku velmi dobře hodnocen, s vysokými nadějemi na realizaci. První měření měl poskytovat již v roce 2008 – stal by se tak prvním přístrojem poskytujícím multifrekvenční radiové mapy Slunce s vysokým spektrálním rozlišením. Bohužel, jak již bylo uvedeno, celý projekt zůstal pouze na papíře a k jeho realizaci nedošlo. Že by byl oživen není příliš pravděpodobné, protože mezitím se objevily i jiné podobné projekty, které mají k dokončení podstatně blíž (např CSHR - viz dále).

BDA

BDA (Brazilian Decimetric Array) je projekt interferometru, navržený a částečně realizovaný brazilským Národním ústavem pro kosmický výzkum (INPE), s plánovaným využitím ve sluneční i stelární astrofyzice. V pásmu 1.2 GHz – 1.7 GHz by měl pracovat jako spektro-interferometr, tedy zařízení poskytující multifrekvenční radiové mapy (podobně jako ALMA nebo plánovaný FASR). Krom toho se zamýšlí, že bude poskytovat radiové mapy na dalších dvou separátních frekvencích 2.8 GHz a 5.6 GHz. Po dokončení 3. fáze výstavby by měl sestávat z celkem 38 antén, s nejdelší základnou o délce 2.3 km. Projekt není úplně „odepsaný“, nicméně oproti plánu nabral značný skluz a dosud nejsou veřejně k dispozici žádná data z tohoto přístroje.

SSRT

SSRT (Obrázek 28) je již zmiňovaný radioheliograf Ústavu slunečně-zemské fyziky v ruském Irkutsku. Dosud fungoval jako dvojice ekvidistantních anténních řad ve tvaru kříže v severo-jižním a východo-západním směru na frekvenci 5.7 GHz. Pro vytváření obrazů používal multifrekvenční syntézu. Mezi moderními přístroji ho znovu zmiňujeme proto, že v současnosti prochází rozsáhlou přestavbou na systém aperturní syntézy (kvůli tomu se zásadně mění i konfigurace celkem 256 antén, z nichž se systém skládá) a dojde i k rozšíření počtu frekvencí, na kterých přístroj pozoruje. Kromě přestavby HW se mění i formát dat a obslužný software – nově budou data ukládána v moderním ASDM (ALMA Science Data Model) formátu, který používá i ALMA a který je „nativní“ pro SW balík CASA na zpracování interferometrických dat.

Obrázek 28: Část antén radioheliografu ISTP Irkutsk v Badarech před započetím rekonstrukce. V té době fungoval interferometr na principu zkřížených anténních řad, s využitím multifrekvenční syntézy. Nyní se přestavuje na přístroj s aperturní syntézou.

CSRH

CSRH (Chinese Spectral Radio Heliograph, Obrázek 29) je, jak už název napovídá, rovněž přístroj poskytující radiové mapy Slunce na mnoha frekvenčních kanálech; máme tedy k dispozici plnou informaci jak o prostorovém tak spektrálním rozložení radiové emise. Krom toho díky relativně silnému signálu ze Slunce a jeho časové variabilitě bude přístroj disponovat i solidním časovým rozlišením. Uživatelé tak budou mít k dispozici hustou časovou řadu 3D datových kostek, podobných jako v případě dat z ALMA. Rovněž CSRH bude využívat moderní ASDM formát dat a SW CASA pro jejich zpracování.

Obrázek 29: Centrální část právě budovaného spektro-radioheliografu CSRH v horské stepi v čínské provincii Vnitřní Mongolsko. Budova v pozadí ukrývá i srdce přístroje - dedikovaný rychlý počítač / korelátor.

CSRH se ve skutečnosti skládá ze dvou podsystémů: nízkofrekvenčního (400 MHz – 2000 MHz) a vysokofrekvenčního (2 GHz – 15 GHz) interferometrického pole. Nízkofrekvenční část sestává z čtyřicítky parabolických antén, každá o průměru 4.5 m, vysokofrekvenční pole je tvořeno šedesáti dvoumetrovými anténami. Maximální základna pro aperturní syntézu je 3 km, což dává mezní rozlišení 10“ pro nízkofrekvenční a 1.4“ pro vysokofrekvenční část.

Přístroj, který staví Skupina sluneční radioastronomie Národní astronomické observatoře Čínské akademie věd (National Astronomical Observatories of China/NAOC) poblíž města Zhengxianbaiqi v horské stepi provincie Vnitřní Mongolsko je momentálně v podstatě dokončován a poskytuje již první data, která ovšem slouží pouze k technickému ověření funkčnosti a „ladění“ přístroje (tzv. commissioning). Na první vědecká data si tedy ještě nějakou chvíli počkáme. Nicméně, ze všech projektů sluneční spektrální interferometrie je tento přístroj zdaleka nejnadějnější a nejblíže svému dokončení a uvedení do provozu. Je pravděpodobné, že vědeckých dat se dočkáme zhruba ve stejné době, kdy budou k dispozici i první sluneční data z regulérních (tj. ne CSV) pozorování observatoře ALMA. Vzhledem k různým rozsahům vlnových délek, které pokrývá ALMA a CSRH se budou získaná data výtečně doplňovat, sluneční fyzici se tedy mají na co těšit.

Nyní ještě krátká zmínka o fungujících a plánovaných přístrojích, které sice nejsou dedikovány slunečním pozorováním, ale mohou i tak mít pro sluneční fyziku význam:

GMRT

GMRT (Grand Meterwave Radio Telescope) je nedávno dokončený interferometr založený na aperturní syntéze a provozovaný Národním ústavem pro radiovou astrofyziku (NACR TIFR) v Khodadu u Pune v Indii. Nemá sice detailní spektrální rozlišení, ale v metrovém pásmu vlnových délek poskytuje obrazy na celkem šesti ne velmi vzdálených frekvencích 50, 153, 233, 325, 610 a 1420 MHz. Tím tuto oblast pokrývá celkem dostatečně. Nejdelší základna je 25 km, poskytující mezní rozlišení 2“ při 1.42 GHz. Přístroj není dedikován pro sluneční pozorování, přesto se občas k pozorování Slunce používá. Pro sluneční fyziku má v jeho případě velký význam to, že pokrývá i oblast nízkých frekvencí (pod 500 MHz), na kterou se zaměřuje jen málo současných nebo plánovaných přístrojů (kromě radioheliografu ve francouzském Nancay, který má ovšem řádově horší prostorové rozlišení, už jen LOFAR, viz následující odstavec).

LOFAR

LOFAR (LOw Frequency ARray, též zde) je nedávno (do provozu oficiálně uveden v prosinci 2012) dokončený interferometr pracující na relativně dlouhých radiových vlnách v rozsahu frekvencí 10 MHz – 240 MHz. Byl vybudován mezinárodním konsorciem evropských zemí a jeho antény jsou rozmístěny na ploše bezmála celé západní a střední Evropy, na ploše jejíž rozměry přesahují 1000 km.

Přístroj tedy poskytne velmi dlouhé základny a pracuje na principu aperturní syntézy s použitím technologie VLBI (Very Long Base Interferometry). Ta se od „klasické“ aperturní syntézy liší tím, že páry vzdálených antén nejsou přímo propojeny vlnovodem (u těchto vzdáleností by to i bylo jen těžko technicky realizovatelné), ale signál přicházející z každé antény se vlnově sčítá s „nosnou“ vlnou o stejné frekvenci, jako je přijímané záření (na podobném principu funguje i optická holografie). Signály dvojice antén pak mohou být vlnově sečteny až následně, při post-procesingu (někdy se v této souvislosti proto mluví o „počítačové interferometrii“). Nutnou podmínkou k tomu ovšem je, aby „nosná“ vlna byla pro všechny antény stejná, tedy se stejnou frekvencí i fází. Celý systém je tedy náročný na synchronizaci, která se v tomto případě realizuje s využitím dedikovaných širokopásmových internetových propojení jednotlivých stanic, jak to umožnila moderní technologie. Tento systém se ovšem používá pro komunikaci mezi vzdálenými anténami (tj. pro dlouhé základny, které poskytují Fourierovy komponenty pro krátké škály v obraze), samotná „hnízda“ antén na jednotlivých stanicích mají mnohem kratší základny (zobrazují tedy střední a dlouhé prostorové škály radiového zdroje) a jsou vzájemně propojena standardními vlnovody.

Primárním cílem přístroje sice není pozorování Slunce, nicméně jedna ze šesti klíčových vědeckých oblastí pokrytá projektem LOFAR má název „Sluneční fyzika a kosmické počasí“. Dočkáme se tedy pravděpodobně i slunečních dat na těchto nízkých frekvencích přicházejících k nám z vnější koróny a slunečního větru – význam to bude mít především pro výzkum koronálních výronů hmoty a jejich šíření slunečním větrem a heliosférou.

SKA

SKA (Square Kilometer Array, Obrázek 30) je zatím hudbou budoucnosti. Tento mezinárodní projekt, pokud bude realizován, přinese podle plánů první vědecká data až po roce 2020, jeho úplné dokončení je plánováno na rok 2024. Po zkušenostech s budováním observatoře ALMA lze ale asi bezpečně říci, že v případě takto gigantického projektu dojde nejspíše k určitému zpoždění – což je u průkopnických projektů, nasazujících dosud nevyzkoušenou novou technologii, spíše normální.

Obrázek. 30: Umělecká představa rozmístění antén vysokofrekvenční části plánovaného mamutího interferometru Square Kilometer Array (SKA) v polopoušti jižní Afriky.

Kromě nepředstavitelné citlivosti přístroje dané celkovou efektivní sběrnou plochou antén cca 1 km² (odtud i název přístroje) by observatoř SKA dosahovala i bezprecedentního rozlišení – její antény mají totiž být rozmístěny na dvou kontinentech, v Jižní Africe a v Austrálii a na Novém Zélandu. Samozřejmostí je proto použití technologie VLBI pro vzájemnou korelaci mezikontinentálních antén. Nutnou synchronizaci by v tomto případě měly opatřit atomové hodiny.

SKA by mělo pokrývat poměrně velký a spojitý rozsah frekvencí od 70 MHz až po 30 GHz. Protože ideální parametry antén se v tak širokém intervalu mění, bude celé pole realizováno jak tři podsystémy pro dlouhé střední a krátké vlnové délky.

Ani v tomto případě není primárním cílem pozorování Slunce, nicméně jeden z vědeckých programů nazvaný „Kosmický magnetismus“ implicitně počítá i s výzkumem magnetických polí Slunce tímto přístrojem. Pokud bude tento projekt skutečně realizován, přinese pravděpodobně další převrat v astrofyzice.

Závěrem

Z našeho krátkého nahlédnutí do světa sluneční radioastronomie je snad patrné, že se jedná o velmi živý a dynamicky se rozvíjející obor. Nejen že se otvírají nová dosud zcela neprobádaná spektrální pozorovací okna v oblasti terahertzových frekvencí, ale i data získaná v tradičnějších oborech delších vlnových délek zaznamenávají kvalitativní skok. Jde zejména o kombinaci prostorového a spektrálního rozlišení, které nám přinesla až zcela nová doba. Také prostorové rozlišení vzrůstá k hodnotám, které byly dříve z říše fantazie a které už dnes na mnoha vlnových délkách řádově převyšují rozlišení i těch největších optických teleskopů. Rovněž celková sběrná plocha antén a s ní spojená citlivost moderních přístrojů přesahuje srovnatelnou veličinu jejich optických protějšků o mnoho řádů. S tím jak nově dokončované přístroje přinášejí nové a revoluční poznatky v astrofyzice – včetně té sluneční – roste i ochota financovat projekty ještě větší. V blízké budoucnosti se tak můžeme těšit na sérii nových senzačních objevů umožněných právě prudkým rozvojem radioastronomie.