Új rádióablak nyílt a Világegyetemre

Június 12-én Beatrix holland királynő hivatalosan is felavatta azt az új rádiótávcső-rendszert, amely a Földről elérhető legalacsonyabb frekvenciák tartományában térképezi majd fel a rádióégboltot - ahogyan eddig még sosem láttuk.

A több szempontból is úttörő csillagászati műszeregyüttes, a LOFAR (Low Frequency Array, vagyis alacsony frekvenciás antennahálózat) központja Hollandia ritkábban lakott északi részén, Drenthe tartományban található, szó szerint a mezőkön, a legelésző tehenek és birkák közvetlen közelében. Építését elsősorban holland és európai uniós forrásokból a Holland Rádiócsillagászati Intézet (ASTRON) irányította. A jelentős tudományos beruházás nem valósulhatott volna meg a holland csillagászközösség összefogása nélkül. (A hazánkéval összemérhető nagyságú országban hagyományosan erős a csillagászat tudománya, ezen belül is a rádiócsillagászat. Négy holland egyetemen - Leiden, Amszterdam, Groningen, Nijmegen - folyik például csillagászképzés, kutatás.)   

A LOFAR az első olyan nagy rádiócsillagászati műszeregyüttes, amely nem a hagyományos módon épült: nem kis számú, de nagy méretű rádióteleszkópokkal (jellemzően paraboloid gyűjtőfelületű antennákkal) üzemel, hanem rengeteg kicsi, egyenként viszonylag egyszerű és olcsón előállítható érzékelővel. A működési elv ugyanúgy az interferometria, vagyis a hálózat elemeinél felfogott jelek kombinálása, a rendszer összekapcsolása egyetlen nagy egységgé. Az alacsony (10-100 MHz-es nagyságrendű) frekvenciával rendelkező rádióhullámok detektálásához elegendőek egyszerű dipólantennák, amelyek egyesítését a legmodernebb infokommunikációs technológiák tették lehetővé.

A háttérben a LOFAR alacsonyabb (10-90 MHz-es) frekvencia-tartományában érzékeny dipólantennák sorozata (Low Band Antenna, LBA). (A 10 MHz-esnél kisebb frekvenciájú kozmikus rádióhullámokat a földi ionoszféra már nem engedi lejutni a felszínre.)
A valamivel magasabb (110-250 MHz-es) tartományában az antennákat négyzet alapú egységekbe építették (High Band Antenna, HBA), ilyenek láthatók az előtérben. (Kép: ASTRON / Henri Meulman)

A rendszer lelke a jelek továbbítására kiépített, üvegszálas optikai kábeleket alkalmazó szélessávú adathálózat és az adatok valós idejű kombinálása. Ez utóbbi feladatot a hollandiai Groningenben elhelyezett központi szuperszámítógép (egy IBM Blue Gene) végzi. A LOFAR egyik fontos technológiai előfutára egy még nagyobb, világméretű összefogással, a 2020-as évekre a déli féltekén (dél-afrikai vagy ausztráliai központtal) megépíteni tervezett rádió-interferométernek, az SKA-nak (Square Kilometre Array, vagyis négyzetkilométeres gyűjtőfelületű hálózat).    

Egy, a központi területen megépült LOFAR-állomás madártávlatból. A két szélen a "Mikiegér-fülek" a 24 elemből álló HBA egységek, középen az alacsonyabb frekvenciákra érzékeny dipólok (LBA). (Kép: ASTRON / Topfoto Assen)

Az antennákat állomásokba szervezik, a képen látható állomás például 2 x 24 magasabb frekvenciás (HBA) és 96 alacsony frekvenciás (LBA) antennát tartalmaz. A hálózat kialakítása során, Hollandia északkeleti részén létrehoztak egy központi "magot", ahol néhány km-en belül 18 állomás található. További 18 hollandiai állomás elhelyezése folyamatban van. Ezek a központtól mérve egy kb. 50 km-es sugarú területet fednek le. A még nagyobb antennatávolságok - és így az elérhető még nagyobb szögfelbontás - érdekében más európai országokba is kerültek, ill. kerülnek még LOFAR állomások. Egyelőre Németország, Franciaország, Svédország és Nagy-Britannia kapcsolódott be a programba.     

Egy az első kísérleti képek közül: a 3C 196 jelű kvazár a LOFAR központi magjával (balra) és a németországi állomások adatainak bevonásával (jobbra) megfigyelve. Jól látható, hogy az interferométer elemei közti hosszabb távolság mennyire javítja a felbontást. A fényes rádióforrás képet a 30-80 MHz-es (4-10 m-es hullámhosszú) rádiótartományban végzett mérésekből rekonstruálták. (Kép: ASTRON / Olaf Wucknitz, Bonni Egyetem)

Bár a LOFAR megépítésének ötlete, még az 1990-es évek közepén, eredetileg csillagászati céllal merült fel, más tudományok képviselői is kihasználják majd egyedi adottságait. De nézzük először, hogy milyen reményekkel kecsegtet a csillagászok számára.

A semleges hidrogénatomok 21 cm-es hullámhosszú rádió-színképvonalának vizsgálata elvileg lehetőséget nyújt az Univerzum "sötét korszakának" kutatására. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás keletkezése után, de még az első csillagok és galaxisok létrejötte előtt, az ősrobbanást követő néhány százmillió évig, a Világegyetem hidrogénanyaga teljesen semleges volt. Jelenleg még szinte semmit sem tudunk arról, hogy pontosan mikor és milyen ütemben zajlott az ún. reionizáció folyamata, vagyis az elsőként felragyogó fényes csillagok és/vagy az aktív galaxismagok milyen módon ionizálták a galaxisközi hidrogént. A 21 cm-es színképvonalnak 1420 MHz-es rádiófrekvencia felel meg, ami ugyanakkor a Világegyetem tágulása és az emiatt bekövetkező vöröseltolódás miatt a kérdéses nagy távolságokban már mintegy tízszer alacsonyabb frekvenciáknak felel meg. Ezért van szükség a LOFAR képességeire: ez az első olyan berendezés, amivel a megfelelő felbontással és érzékenységgel mérhetővé válhat a reionizáció korszakának megfelelő időszakban létezett hidrogén sugárzásának térbeli eloszlása. A kutatások azonban nem lesznek egyszerűek, hiszen a háttérből érkező gyenge jeleket elnyomja a közelebbi objektumok erősebb rádiósugárzása, amit először gondosan figyelembe kell majd venni.

A LOFAR megépítésének másik fő célja az alacsony rádiófrekvencián megfigyelhető égbolt nagyfelbontású felmérése. Ez egy eddig még teljesen ismeretlen terület, ami rengeteg meglepetést tartogathat. Az égtérképeket az extragalaktikus források - galaxisok, kvazárok, galaxishalmazok - uralják majd. Az új mérésekből többet tudhatunk meg például a nagytömegű galaxisok kialakulásáról és fejlődéséről, a galaxishalmazok ütközéseiről.

Világegyetemünk tele van változásokkal, illetve gyors, hirtelen lefolyású eseményekkel. Ha megfelelő időbeli felbontással, és egyszerre elegendően nagy látómezővel figyeljük az eget, akkor egyre több ilyen folyamatra derül fény. Szó lehet pulzárokról (vagyis gyorsan forgó neutroncsillagokról), robbanó csillagokról, kitörő aktív galaxismagokról, de akár ma még ismeretlen jelenségekről is. A LOFAR mind az idő, mind a látómező tekintetben egyedülállót nyújt. Mivel nem paraboloid felületű antennákról van szó, elemei egyszerre (s egyúttal elforgatás, mozgó alkatrészek használata nélkül) nem csak egy irányba tudnak "nézni", hanem elektronikusan akár több antennanyaláb is formálható velük - mindez "csak" megfeleően nagy számítási kapacitás kérdése. Így a hálózattal egy időben az égbolt egymástól távoli részei is megfigyelhetők. A LOFAR akár néhány naponta képes felmérni a teljes látható égboltot, új jelenségek észlelése esetén pedig riasztani a csillagászokat, hogy azok más eszközökkel és más hullámhossz-tartományokban is végezhessenek megfigyeléseket.

Egyszerre több független antennanyaláb állítható elő. (Fantáziakép: SKA)

Léteznek olyan nagy energiával rendelkező elemi részecskék, amelyek átszelik az Univerzum hatalmas távolságait, s némelyikük végül a földi légkörbe is eljut. A kozmikus sugárzás ultranagy energiájú részecskéiről jelenleg nem tudjuk, hogy pontosan hogyan és hol keletkeznek: hol vannak azok az óriási természetes részecskegyorsítók, amelyekből elindulnak. Talán szupernóvákból, esetleg az aktív galaxismagokban található nagytömegő fekete lyukak környezetéből származnak. A LOFAR nem közvetlenül a kozmikus sugárzás részecskéit, hanem a légkörbe lépésükkor kiváltott impulzusszerű, alacsony frekvenciás rádiósugárzást képes detektálni, és ebből meghatározni a részecskék energiáját és érkezési irányát.

A LOFAR-hoz szükséges technológiák (nagy területen elhelyezett számos érzékelő, gyors adattovábbítás, valós idejű számítógépes feldolgozás) jól alkalmazhatók más kutatási területeken is. Ezt a tényt a tervezők ügyesen ki is használták, amikor támogatást kerestek a megvalósításhoz. A LOFAR rádióantennáival együtt geofizikai célokra szeizmikus érzékelőket és infrahang-detektorokat telepítettek. A precíziós mezőgazdaság segítése érdekében a mikroklímát vizsgálják. A gyűjtött adatok elemzése alapján a szántóföldi termesztésben növelhető a terméshozam, a lehető legkisebbre csökkenthető a növényvédő szerek alkalmazása.

A hálózat központi magja egy 400 hektáros területen terül el, amit az elmúlt évek során több mint 40 helyi gazdától sikerült megvásárolni (nem kisajátítani!). A nyugalom a rádiócsillagászati mérések és a természet közös érdeke, ezért a vidéket a helyi természetvédelmi hatóság segítségével védett területté alakították. Az ott kanyargó folyócska és a területen található csatornák vizeit úgy szabályozták, hogy megfelelő élőhelyet biztosítsanak a gazdag állat- és növényvilágnak.   

Beatrix királynő az ünneplők gyűrűjében, a LOFAR megépítésében részt vevő mérnökökkel és kutatókkal beszélgetve. (Kép: Gabányi Krisztina)

A LOFAR még nincs teljesen kész, de a kísérleti mérések már javában folynak. A hálózat "birtokba vétele", a technikai részleteknek, az adatok kalibrációjának a finomítása nem történik egyik napról a másikra. Az első tudományos programok már az év vége felé beindulhatnak. A rendszer ünnepélyes felavatására 2010. június 12-én került sor. Az esemény jelentőségét mutatja, hogy a hálózat központi elemeinek közelében, a mezőn felállított ideiglenes színházsátorban, mintegy 700 meghívott jelenlétében személyesen Beatrix holland királynő nyomta meg azt a gombot, amely aznap jelképesen megindította az adatfolyamot a LOFAR antennáiból a központi számítógép felé.     

Kapcsolódó oldalak:
A LOFAR honlapja
Az ASTRON (Holland Rádiócsillagászati Intézet) honlapja

http://hirek.csillagaszat.hu/foldi_tavcsovek/20100614-lofar.html