Přístroje astronomie 1 – Rádiové teleskopy

Jelikož mi Smrtihlav ukradl seriál Fyziky pro DFensáky (just kidding), rád bych navázal seriálem novým, kde vás seznámím s největšími teleskopy světa, vesmírnými zdroji záření a zajímavostmi astronomie vůbec. Seriál rozdělím podle vlnových délek elmag. záření, počínaje rádiovým, přes optické a konče rentgenem a gama zářením (možná dojde i na neutrina, gravitační vlny, atd.).

Rádiové vlny jsou částí elektromagnetického spektra s vlnovou délkou od zhruba 100mm (hranice s mikrovlnným zářením se různí a mnohdy mísí podle zdrojů) výše. Jednotkou frekvence (c/vlnová délka) je kmit za sekundu, pojmenovaný po Heinrichu Hertzovi, který poprvé objevil, změřil a pomocí dipólové antény i vysílal rádiové vlny. Rádiové záření kosmických zdrojů má z celého spektra nejmenší frekvence a nejmenší energii, pro jeho detekci jsou proto potřeba obří antény.

Trocha historie radioastronomie

Objevitelem kosmických rádiových vln byl Karl Guthe Jansky, který pracoval pro telefonní společnost Bell a v třicátých letech dvacátého století měl zjistit, co ruší transatlantické hovory. Sestavil tedy přibližně 30metrovou otáčecí anténu (foto repliky, zdroj wiki) a v roce 1932 zachytil signál neznámého původu, který se opakoval každých 24 hodin, proto si nejdříve myslel, že jde o Slunce. Opakovaným měřením zjistil periodu 23 hodin 56 minut, která je typická pro astronomické zdroje – rotací Země kolem Slunce dochází k rozdílu časů, za jaký se Slunce objeví na stejném místě versus kdy se hvězdy objeví na stejném místě na obloze (Slunce se vůči hvězdám posune – viz siderický den), rozdíl jsou zhruba 4 minuty denně. Porovnáním lokace zdrojů s optickými hvězdnými mapami Jansky zjistil, že oním zdrojem je Mléčná dráha, z toho nejsilnějším zdrojem přímo střed naší Galaxie v souhvězdí Střelce. Dalším zdrojem statického rušení byly blízké bouřky. Jansky navrhl vybudovat přesnější anténu a pozorovat dál, ale společnost Bell návrh zamítla s tím, že naměřené hodnoty hovory nebudou nijak významně rušit a přemístila Janskeho na jiný projekt. Jansky tím s radioastronomií skončil, ale na jeho počest je pojmenovaná jednotka hustoty záření vesmírných rádiových zdrojů (1 Jy = 10⁻²⁶ W m⁻² Hz⁻¹) a také kráter na Měsíci.

Grote Reber, amatérský americký astronom byl natolik zaujat Janskeho objevem, že si na zahradě v roce 1937 sestavil 9m anténu (foto a foto repliky, zdroj wiki) a v následujících letech sestavil první rádiovou mapu oblohy. V roce 1942 byla objevena rádiová emise Slunce, měnící se podle slunečních skvrn. V roce 1944 bylo předpovězeno a v roce 1951 pozorováno záření vodíku na 21 cm. V roce 1945 byly na radaru detekovány meteorické stopy, a tak dále. V 50. letech přišel boom rádiové astronomie, protože po válce zbylo spousty velkých antén, které dříve sloužily k pozorování vzdušného prostoru.

Největší a nejzajímavější rádiové teleskopy světa

Jak tedy vypadá takový rádiový teleskop? To záleží na vlnové délce, pro kterou je postaven. Pro dlouhé vlnové délky (jednotky až desítky metrů) stačí směrová anténa (klasická televizní anténa), statický reflektor s pohyblivým ohniskem nebo natáčecí parabolický talíř (větší satelit), který odráží příchozí signál směrem do ohniska s detektorem. Při těchto dlouhých vlnových délkách nemusí být parabola vyplněná, ale stačí průhledná mříž (viz Ondřejovské paraboly na konci článku). Pro kratší vlnové délky už musí být parabola plná, aby se od ní signál odrážel a neprocházel skrz. Velikost talíře pak závisí na úhlovém rozlišení, které je potřeba dosáhnout, a na pozorované vlnové délce. Úhlové rozlišení je zjednodušeně schopnost rozeznat dva sousedící objekty od sebe. Například úhlové rozlišení lidského oka se může změřit podle toho, v jaké vzdálenosti od svítícího automobilu jsme schopni rozlišit, že má dva světlomety (ve větší vzdálenosti se nám slijí do jednoho svítícího bodu). Naše úhlové rozlišení je pak úhel mezi spojnicemi světlometů s naším okem. Nebudu nudit rovnicemi, pro pozorování vlnových délek v desítkách cm až jednotkách m je potřeba anténa s průměrem přes 100 m. Pro kratší vlnové délky stačí desítky i jednotky metru.

Zvláštní podskupinou rádiové astronomie je astronomie radarová, kdy se signál nezachytává pasivně, ale aktivně se vysílá a měří se signál odražený od zdroje (radary letišť). Jelikož síla odraženého signálu klesá se čtvrtou mocninou vzdálenosti, je možné takto pozorovat pouze objekty v naší Sluneční soustavě, jako jsou planety, měsíce, asteroidy, komety, meteory atd. Výhodou radaru je získání vzdálenosti objektu, jeho rychlosti a tvaru, takže lze s velkou přesností předpovídat trajektorie těles a případné srážky. Astronomové si kvůli pozorování vynutili zákaz používání frekvencí, které jsou pro ně zajímavé. Pojďme se tedy podívat na největší a nejzajímavější rádiové teleskopy světa i Česka.

RATAN 600
Radioteleskop s největším reflektorem na světě. Nachází se na Kavkaze, v blízkosti vesničky Zelenčukskaja a do provozu byl oficiálně uveden roku 1977. Reflektor sestává z 895 desek o rozměrech 2×7,4 m umístěných po obvodu kruhu s průměrem 576 m. Každá deska se dá natáčet a kompenzovat tím tak nepohyblivost reflektoru.

Sekundární odrazné plochy spolu s detektory pak jezdí uvnitř kruhu po kolejnicích. RATAN má několik módů pozorování, kus kruhu může soustředit signál na jednu z parabol s detektory nebo může signál dopadat na rovnou centrální plochu (na obrázku v levé části uvnitř kruhu) širokou 400 m a odrážet se na protilehlý kus kruhu, který signál soustředí opět do pojízdné paraboly s detektorem. Nejzajímavější je ale mód kdy je využitý celý kruh, který soustředí signál na kónickou odrazovou plochu uprostřed. V tomto režimu je RATAN 600 schopný pozorovat s rozlišením antény s parabolou o průměru 600 m. Samozřejmě tak jde pozorovat jen velmi blízko zenitu (kolmice k rovině země), ale RATAN pak nabízí maximální citlivost i rozlišovací schopnost.

RATAN 600 pozoruje ve vlnovém rozsahu 1 – 50 cm a specializuje se na pozorování Slunce, konkrétně sluneční korony.

Arecibo
Mnohem známější je však radioteleskop Arecibo v Portoriku, postavený v roce 1963. Jeho hlavní talíř má průměr 305 m a sestává z 38 778 hliníkových desek o rozměru 1×2 m vyplňujících díru po erozivním propadu půdy. Talíř se nedá natáčet, takže k zaměřování teleskopu slouží pohyblivý detektor, zavěšený na třech betonových pilířích pomocí kabelů 150 m nad talířem. Parabolický talíř by měl při různých umístěních detektoru mimo ohnisko jiné defekty (konkrétně astigmatismus), takže je místo toho sférický (vada je všude stejná a dá se tím pádem korigovat) a detektor se nastavuje tak, aby přijímal signál z různých částí sférického talíře, čímž se dá zaměřovat na objekty na obloze.

Výhodou Areciba je kromě rozměrů i to, že má tři vysílače s výkonem až 20 TW, takže slouží i k radarové astronomii. Arecibo operuje s vlnovými délkami 3 cm až 1 m a zasloužil se o mnoho vědeckých objevů, mimo jiné neutronové hvězdy, binárního pulzaru, prvních extrasolárních planet, doby rotace Merkuru a mnoho dalších. Arecibo využívala i armáda, protože dokázal lokalizovat sovětské radarové základny podle odrazu jejich signálu od Měsíce. V současnosti je spolu s RATANem součásti projektu SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence), který hledá signál od mimozemšťanů. Sám teleskop Arecibo pak v roce 1974 vyslal signál směrem ke kulové hvězdokupě M13. Vzhledem k tomu, že je vzdálená 25 000 světelných let, tak se odpovědí nedožijeme:)

Arecibo je široké veřejnosti známo i z filmů, hlavně z Bondovky Golden Eye (youtube video), z filmu Contact, seriálu X-files a dalších. V roce 2008 Číňani odsouhlasili stavbu teleskopu FAST, který je svou koncepcí podobný Arecibu a bude mít průměr 500 m a dokončen v roce 2013.

Green Bank Telescope
GBT je největší pohyblivý radioteleskop na světě, stojí v Green Bank (West Virginia, USA) a má rozměry 100×110 m. Postaven byl na místě předešlého obřího teleskopu, který se zřítil vlivem únavy materiálu, a uveden do provozu v roce 2000. Sestává se z 2004 hliníkových panelů, které se dají pomocí motorků nastavovat, což umožňuje velkou přesnost u vyšších frekvencí. Nesouměrnost rozměru je dána tím, že parabola antény je jakoby nakřivo a ohnisko s detektorem tak leží mimo zorné pole a nezaclání talíři ve výhledu na oblohu.

Effelsberg Radio Telescope
Až do stavby GBT to byl největší pohyblivý radioteleskop na světě, průměr paraboly 100 m. Uveden do provozu v roce 1972, nachází se v Německu blízko Bonnu a je tím pádem nejbližším obřím teleskopem od nás (osobně jedu na prohlídku za necelý měsíc). Zvláštností je to, že se parabola při pohybu deformuje vlastní vahou, což je řešeno tak, že i zdeformovaný talíř má vždy parabolický tvar a detektor se musí maličko posunout do nového ohniska, které deformací vznikne.

Lovell Telescope
Až do stavby Effelsbergu největší pohyblivý radioteleskop světa, průměr paraboly 76 m. Byl vybudován v roce 1955 v Anglii a dodnes mu patří 3. místo. Díky době svého vzniku sehrál významnou úlohu při kosmických závodech Američanů a Sovětů. Lokalizoval polohu Sputniku 1 i 2 a sledoval dráhy vesmírných sond Pioneer (USA), kterým posílal příkazy a přijímal jejich data. Sledoval také sovětské sondy Luník a Luna, od Luny 9 zachytil vysílání po přistání na Měsíci, ve kterém byly i fotografie, které Britové zveřejnili ještě dříve než Rusové.

Rádiová interferometrie
Interferometrie pracuje na principu skládání elmag vln z teleskopů, které jsou rozmístěny různě daleko od sebe. To nejen že zvýší přijatý signál, ale hlavně významným způsobem zvýší rozlišení. Nechci nudit vysvětlováním, každopádně výsledek je stejný jako by byl signál jen z jedné parabolické antény o průměru rovnajícímu se vzdálenosti teleskopů, které jsou nejdál do sebe. Ke kvalitnímu zobrazení je také potřeba co největší počet různých vzájemných vzdáleností antén, proto se používají víc jak dvě. Dřívější technika vyžadovala, že jsou teleskopy na jednom místě a napojeny na jeden systém. Dnes je díky přesným atomovým hodinám a oscilátorům trend stavět malé levné antény po celém světě, čímž vznikají antény o rozměrech kontinentů (VLBA, VLBI, LOFAR, atd). Jen si krátce řekneme o dvou interferometrech ze staré školy.

Very Large Array
VLA (dokončeno 1980) se nachází v Novém Mexiku a je tvořena sítí 27mi parabolických antén, každá o průměru 25 m. Antény se dají přemisťovat po kolejnicích po třech ramenech tvořících písmeno Y, z nichž každé má délku 21 km. Při nejvzdálenější kombinaci tak VLA simuluje anténu o průměru 36 km. Stejně jako Arecibo, i VLA si zahrálo v mnoha filmech, Independence Day, Armageddon, Terminator Salvation a plno dalších.

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array
ALMA se momentálně staví v chilské poušti Atacama, severně od naší observatoře (o té víc v optické části), v nadmořské výšce přes 5 km (!). Bude sestávat z 66 antén o průměrech 12 a 7 m a stat přes miliardu dolarů (i vašich daní;) Je to zatím vůbec největší projekt v astronomii vůbec. Zajímavá už je i samotná stavba. Kromě nadmořské výšky je nutné se vypořádat i s extrémním suchem, Atacama je nejsušší místo na Zemi, díky čemuž tam nepřežijí ani bakterie.

A jelikož jsme příznivci strojů, nemůžu nezmínit dva dopravní náklaďáky, postavené pro účel dopravy antén na horní plošinu. Každý má 28 kol, je 10 m široký a váží 130 tun. Pohon zajišťují dva diesely, každý o výkonu 500 kW, kabina řidiče je vybavena kyslíkovým přístrojem.

Radioastronomie v Česku
Tady budu asi trochu subjektivní, jelikož neznám všechny observatoře v ČR a tak se budu věnovat Ondřejovu, kam jsem párkrát zavítal. Co se týče radioteleskopů, mají tam 10 m anténu na sledování Slunce.

Dále je tam aktivní radar na sledování stop meteorů.

A spousty dalších antén poschovávaných v lese a na loukách v okolí, jejichž funkci neznám.

To je k přístrojům rádiové astronomie vše, přístě zabloudíme do viditelného spektra a bude řeč o největších optických teleskopech.

586x přečteno