Międzynarodowy zespół złożony z ponad 200 astronomów z 18 krajów opublikował dane z pierwszej fazy nowego, wielkiego radiowego przeglądu nieba o niespotykanej dotychczas czułości – realizowane¬go przy pomocy interferometru LOFAR, The LOw Frequency ARray. Opublikowane mapy nieba radiowego ukazują setki tysięcy dotychczas nieznanych galaktyk, rzucając nowe światło na wiele problemów współczesnej astrofizyki, takie jak m.in. fizyka czarnych dziur, czy ewolucja gromad galaktyk. No¬wym rezultatom poświęcone zostanie specjalne wydanie czasopisma naukowego Astronomy & Astrophysics, w którym znajdzie się dwadzieścia sześć artykułów opisujących nowy przegląd i jego pierwsze rezultaty.

Radioastronomia pozwala dojrzeć niedostępne dla instrumentów optycznych procesy zachodzące we Wszechświecie. W ramach pierwszej części nowego przeglądu nieba, LOFAR obserwował czwartą część północnej półkuli niebieskiej – na niskich częstotliwościach radiowych (poniżej 250 MHz; fale o długości ponad metra). Na dzisiaj (19 lutego 2019 roku - przyp. red.) opubliko­wane zostało około dziesięciu procent zebranych danych – zawierających około trzystu tysięcy radioźródeł, w przewa­żającej większości będących odległymi galaktykami. Pochodzące z nich sygnały radiowe potrzebowały miliardów lat, by dotrzeć do Ziemi.

Czarne dziury

Huub Röttgering, Uniwersytet w Lejdzie (Królestwo Niderlandów): Jeśli skierujemy radioteleskop na niebo, ujrzymy głównie emisję pochodzącą z najbliższego otoczenia masywnych czarnych dziur. Mamy nadzieję, że LOFAR pozwoli na znalezienie odpowiedzi na fascynujące nas pytanie: skąd biorą się takie czarne dziury?” Wiemy, że czarne dziury po­żywiają się raczej niechlujnie: gdy opada na nie gaz, emitują strugi (dżety) materii, którą można dostrzec w zakresie ra­diowym. Philip Best, Uniwersytet w Edynburgu (Zjednoczone Królestwo), dodaje: “LOFAR ma znakomitą czułość i to pozwala nam dojrzeć, że takie dżety znajdują się we wszystkich najmasywniejszych galaktykach, co oznacza, że ich czarne dziu­ry nigdy nie przestają jeść. 

Gromady galaktyk

Gromady zawierają od setek do tysięcy galaktyk; od dziesięcioleci wiadomo, że gdy dwa takie obiekty zlewają się ze sobą, to nierzadko powstają obszary emitujące radiowo, rozciągające się na miliony lat świetlnych. Uważa się, że to promieniowanie powstaje, gdy cząstki ulegają przyspieszaniu w czasie kolizji. Amanda Wilber z Uniwersytetu w Ham­burgu (Republika Federalna Niemiec) opowiada: Dzięki obserwacjom radiowym możemy dostrzec promienowanie po­wstające w bardzo rzadkim ośrodku międzygalaktycznym. Jego źródłem są fronty uderzeniowe i turbulencje. LOFAR pozwala na wykrycie wielu takich obiektów i zrozumienie, co je zasila. 

Analisa Bonafede (Uniwersytet w Bolonii/INAF, Włoski Narodowy Instytut Astrofizyki, Republika Włoska) dodaje: to, co zaczynamy dostrzegać dzięki LOFAR-owi to to, że w niektórych przypadkach źródłem takiej emisji są również i gro­mady nieulegające  zlewaniu, aczkolwiek jest to sygnał na tak niskim poziomie, że nie był on dotychczas wykrywalny. Odkrycie to mówi nam, że poza kolizjami gromad istnieją też inne mechanizmy pozwalające na przyspieszanie cząstek w wielkich skalach przestrzennych.

Pola magnetyczne

Cały Kosmos przesiąknięty jest przez pola magnetyczne, a my chcemy zrozumieć, jak to możliwe. Badanie pól ma­gnetycznych w przestrzeni międzygalaktycznej może być trudne, ponieważ są one bardzo słabe. Niemniej jednak, nie­spotykana wcześniej dokładność pomiarów dokonywanych przy pomocy LOFAR-a pozwoliła na zbadanie, jaki był efekt takich pól na fale radiowe wyemitowane z gigantycznej radiogalaktyki – o rozmiarach około 11 milionów lat świetl­nych. Badania te pokazują, jak możemy wykorzystać LOFAR-a by zrozumieć pochodzenie kosmicznych pól magnetycz­nych, tłumaczy Shane O'Sullivan z Uniwersytetu w Hamburgu.

Obrazy wysokiej jakości

Tworzenie nieskoczęstotliwościowych map nieba wymaga dużych ilości czasu – zarówno obserwacyjnego, jak i obli­czeniowego – oraz pracy dużych zespołów, analizujących dane. LOFAR generuje olbrzymie ilości danych – musimy przeprocesować równowartość dziesięciu milionów płyt DVD z danymi. Przeglądy wykonywane przy pomocy LOFA­R-a stały się możliwe dopiero niedawno, dzięki matematycznemu przełomowi w sposobie, w jaki rozumiemy zagadnie­nie interferometrii, mówi Cyril Tasse, Obserwatorium Paryskie – stacja radioastronomiczna Nançay.

Pracowaliśmy wspólnie z holenderskim konsorcjum SURF (Samenwerkende Universitaire Rekenfaciliteiten) by efek­tywnie przetwarzać potężne ilości danych w obrazy wysokiej jakości. Obrazy te stały się właśnie dostępne publicznie  i pozwolą astronomom na badanie ewolucji galaktyk tak szczegółowo, jak nigdy dotąd - dodaje Timothy Shimwell z Holenderskiego Instytutu Radioastronomii (ASTRON) i Uniwersytetu w Lejdzie.

Należący do SURF ośrodek przetwarzania i magazynowania danych SURFsara w Amsterdamie jest w pełni zasilany z od­zyskiwalnej energii i przechowuje 20 petabajtów danych pochodzących z obserwacji LOFAR-a. To więcej niż połowa ze wszystkich danych zebranych dotychczas przez LOFAR-a, największy zbiór danych astronomicznych na świecie. Przetwarzanie tak wielkich ilości danych stanowi duże wyzwanie dla naukowców. To, co zajęłoby wieki przy wykorzy­staniu typowego komputera domowego zostało dokonane w ciągu niecałego roku, dzięki wykorzystaniu klastra wyso­kiej przepustowości (grid komputerowy) i doświadczenia, mówi Raymond Oonk (SURFSara).

LOFAR

Radioteleskop LOFAR, Sieć Niskoczęstotliwościowa, jest unikalny pod względem możliwości wysoce szczegółowego mapowania nieba na falach metrowych. Operatorem LOFAR-a jest  holenderski instytut ASTRON, a sam teleskop uwa­żany jest za wiodący instrument swojego rodzaju na świecie. „Ta mapa nieba będzie w przyszłości cudowną spuścizną. Świadczy ona projektantom LOFAR-a, że teleskop tego typu potrafi pracować tak dobrze”, mówi Carole Jackson, Dy­rektor Generalna ASTRONu.

Udział polskich uczelni

W pracach nad nowym przeglądem uczestniczyły dwie polskie uczelnie: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Wkład krakowskich naukowców opisuje Krzysztof Chyży z UJ. Nasz zespół składał się z sześciu osób. Dokonaliśmy identyfikacji i klasyfikacji morfologicznej tysięcy radioźródeł w przeglądzie. Poszukiwaliśmy przyczyn zależności emisji radiowej od aktywności gwiazdotwórczej galaktyk spiralnych, analizowaliśmy procesy ucieczki z galaktyk cząstek promieniowania kosmicznego i poszukiwaliśmy międzygalaktycznych pól magnetycznych. Dodatkowo, jedna z prac – dotycząca powszechności występowania rozciągłej emisji radiowej w grupach galaktyk, zagadnienia dotychczas bardzo słabo poznanego – była własnym projektem jednego z naukowców zatrudnionych w Obserwatorium Astronomicznym. Również toruńscy naukowcy brali czynny udział w tworzeniu tego ogromnego katalogu radioźródeł. Analizowaliśmy też pochodzenie emisji radiowej w bardzo rzadkich kwazarach, które charakteryzują się bardzo silnymi wypływami materii z dysku akrecyjnego otaczającego supermasywną czarną dziurę (tzw. kwazary typu BAL – o szerokich liniach absorpcyjnych) - mówi Magdalena Kunert-Bajraszewska z UMK."

Od roku 2015 Polska jest pełnoprawnym członkiem konsorcjum ILT, posiadającym trzy stacje radiointerferometru: w Bałdach (zarządzaną przez Uniwersytet Warmijsko-Mazurski), w Borówcu (operatorem jest Centrum Badań Kosmicznych PAN) i w Łazach (należy do Uniwersytetu Jagiellońskiego). Udział polskich naukowców w powyższych badaniach był możliwy dzięki wsparciu finansowemu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, w tym  Narodowego Centrum Nauki.

Następny krok

26 artykułów, które ukazały się właśnie w Astronomy & Astrophysics, oparte było o zaledwie dwa procent danych z no­wego przeglądu. Celem zespołu badawczego jest stworzenie wysokorozdzielczościowych map całego północnego nie­ba, co powinno pozwolić na ukazanie 15 milionów radioźródeł. Pomyślcie tylko o tym, jakie odkrycia czekają na nas po drodze. Czekam na nie z niecierpliwością, mówi Jackson. A wśród tych odkryć będą też pierwsze masywne czarne dziury, które powstały, gdy Wszechświat był jeszcze dzieckiem, istniejącym ułamek tego wieku, który ma teraz - doda­je Röttgering.

Źródło: Wydział Fizyki Informatyki i Astronomii Stosowanej UJ

Opisy zdjęć 

Pierwsze: Gromada galaktyk Abell 1314 znajduje się około 460 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy. Wielkoskalowa emisja radiowa widoczna na ilustracji powstała w wyniku zderzenia z inną gromadą. Kolory czerwony i różowy ilustrują nietermiczną emisję radiową wykrytą przez LOFAR-a, a szare – termiczne promieniowanie rentgenowskie, zarejestrowane przez Kosmiczne Obserwatorium Chandra; struktury te naniesione zostały na mapę optyczną. Źródło: Amanda Wilber/LOFAR Surveys Team/NASA/CXC;

Drugie: Ta ilustracja ukazuje, w jaki sposób LOFAR otwiera nowe okno na Wszechświat. Optyczny obraz oddalonej o około 460 milionów lat świetlnych od Ziemi gromady Abell 1314 (kolor szary) został połączony z radiowym z LOFAR-a (pomarańczowy). Wyraźnie widać, że obrazy te są diametralnie różne, co zmienia nasze wyobrażenie o tym, w jaki sposób galaktyki powstają i ewoluują. W środku każdej z nich znajduje się czarna dziura: gdy materia opada na nią, zostają uwolnione niewyobrażalne ilości energii: elektrony wyrzucone są niczym woda w fontannie. Te przyspieszone elektrony są źródłem emisji radiowej, która może rozciągać się na ogromnych odległościach i nie posiada odpowiednika w zakresie optycznym. Źródło: Rafaël Mostert/LOFAR Surveys Team/Sloan Digital Sky Survey DR13;

Trzecie: Na obrazie znajduje się Galaktyka Wir, M51. Leży ona 15-35 milionów lat świetlnych od Ziemi i ma średnicę około 60 000 lat świetlnych. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura. Dzięki danym z LOFAR-a (żółte i czerwone odcienie) można dojrzeć, że galaktyka spiralna i jej towarzysz oddziałują ze sobą: łączy je most emitującej radiowo materii. Źródło: Sean Mooney/LOFAR Surveys Team/Digitized Sky Survey.