W czasopiśmie Astronomy & Astrophysics został opublikowany artykuł opisujący największy i najbardziej szczegółowy radiowy przegląd nieba. W gronie badaczy (m.in. z Holandii, Niemiec, Francji, Wielkiej Brytanii, Włoch, Szwecji, Irlandii, Łotwy czy Bułgarii) zaangażowanych w ten wyjątkowy na skalę światową projekt są również astronomowie z Polski.
Międzynarodowa grupa naukowców przy użyciu radioteleskopu Low Frequency Array (LOFAR) stworzyła niezwykle szczegółową radiową mapę Wszechświata. Jest ona kompletna jak nigdy dotąd! Obrazuje aż 13,7 miliona galaktyk aktywnych i ujawnia położenia związanych z nimi supermasywnych czarnych dziur oraz niezwykłą różnorodność zasilanych przez nie układów, których emisja radiowa może rozciągać się na miliony lat świetlnych. Opublikowany przegląd LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS-DR3) jest przykładem doskonałej międzynarodowej współpracy naukowej.
Obserwacje nieba na niskich częstotliwościach radiowych ujawniają zupełnie inny obraz Wszechświata niż ten, który jest widoczny w zakresie światła odbieranego przez nasze oczy. Znaczna część emisji radiowej generowana jest przez naładowane relatywistyczne cząstki poruszające się w polu magnetycznym. Obserwacje radiowe pozwalają astronomom śledzić bardzo energetyczne zjawiska, takie jak wielkoskalowe skolimowane wypływy plazmy – dżety – emanujące z okolic supermasywnych czarnych dziur czy burzliwe procesy formowania gwiazd zachodzące w galaktykach w różnych epokach kosmologicznych.
Dzięki niezwykłej rozdzielczości kątowej, mapy LOFAR-a ujawniły również rzadkie i nieuchwytne dotąd obiekty, w tym np. zlewające się gromady galaktyk, słabe pozostałości po wybuchach supernowych czy rozbłyski generowane przez gwiazdy. Te, głębokie jak jeszcze nigdy dotąd, mapy radiowe Wszechświata już teraz umożliwiły astronomom przeprowadzenie setek nowych analiz, dostarczając cennych informacji na temat powstawania i ewolucji struktur kosmicznych, przyspieszania cząstek do ekstremalnych energii oraz konfiguracji kosmicznych pól magnetycznych.
Dziesięć lat międzynarodowej współpracy
– Opublikowane dane są wynikiem ponad dziesięciu lat obserwacji, przetworzenia ogromnej ilości danych i wnikliwych analiz naukowych przeprowadzonych przez międzynarodowy zespół badawczy – tłumaczy dr Timothy Shimwell, główny autor publikacji, astronom pracujący w Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON) oraz na Uniwersytecie w Lejdzie w Holandii.
Osiągnięcie to stanowi przykład modelowej współpracy w ramach Europejskiego Konsorcjum Infrastruktury Badawczej LOFAR (European Research Infrastructure Consortium LOFAR ERIC), skupiającego ekspertów z Holandii, Niemiec, Francji, Wielkiej Brytanii, Polski, Włoch, Szwecji, Irlandii, Łotwy i Bułgarii. Unikalna konstrukcja interferometru LOFAR obejmuje 38 stacji w Holandii i 14 stacji międzynarodowych rozsianych po całej Europie, przy czym najbardziej odległe są od siebie oddalone o prawie 2000 kilometrów, tworząc jeden z największych, najbardziej czułych i precyzyjnych radioteleskopów na świecie.
– W Polsce działają trzy stacje interferometru LOFAR: w Borówcu koło Poznania, należąca do Centrum Badań Kosmicznych, w Bałdach koło Olsztyna, której właścicielem jest Uniwersytet Warmińsko-Mazurski oraz w Łazach koło Bochni, należąca do Uniwersytetu Jagiellońskiego – wyjaśnia prof. Marek Jamrozy z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Przełomowe odkrycia
– Możemy analizować różne populacje supermasywnych czarnych dziur i generowanych przez nie wielkoskalowych wypływów na różnych etapach ich ewolucji. Badać, jak ich właściwości zależą nie tylko od parametrów samej czarnej dziury, ale także od własności galaktyki macierzystej i ośrodka, w którym się znajdują – zauważa prof. Martin Hardcastle z Uniwersytetu Hertfordshire w Wielkiej Brytanii. Co więcej, pierwsze analizy pozwoliły już oszacować tempo formowania gwiazd w milionach galaktyk i prześledzić, jak ewoluowało ono na przestrzeni kolejnych epok kosmologicznych.
– Mapy LOFAR-a pozwalają na drobiazgową analizę ośrodka międzygwiazdowego w galaktykach. Ujawniają one konfigurację i natężenie pola magnetycznego oraz obecność relatywistycznych cząstek promieniowania kosmicznego – mówi prof. Krzysztof Chyży z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
– Badając gromady galaktyk, dostrzegamy wielkoskalowe fale szokowe oraz turbulencje powodujące przyspieszenie cząstek i wzmacnianie pola magnetycznego na obszarze milionów lat świetlnych – niespodziewanie, obserwujemy te zjawiska znacznie częściej niż wcześniej przewidywaliśmy – dodaje dr Andrea Botteon z Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) w Bolonii we Włoszech.
Zebrane dane są dokładnie analizowane pod kątem rzadkich zjawisk astrofizycznych, a zespół badawczy odkrył już kilka z nich, w tym sporadyczne i zmienne źródła radiowe, nieznane wcześniej pozostałości po supernowych, jedne z największych i najstarszych znanych radiogalaktyk oraz emisję radiową pochodzącą z oddziaływania planet pozasłonecznych z ich macierzystymi gwiazdami.
Innowacje techniczne
Przetwarzanie danych obserwacyjnych wymagało opracowania nowych technik, które precyzyjnie poprawiały poważne zniekształcenia sygnałów radiowych spowodowane przez obecność górnej warstwy atmosfery zawierającej naładowane cząstki – jonosfery Ziemi. By przetworzenie 13 tys. godzin obserwacji było możliwe, analiza danych musiała zostać oparta na wydajnej automatyzacji i optymalizacji.
– Skala wyzwań związanych z oprogramowaniem była ogromna – podkreśla dr Cyril Tasse z Obserwatorium Paryskiego we Francji, kierujący zespołem odpowiedzialnym za opracowanie algorytmów. – Projektowanie, udoskonalanie i optymalizacja algorytmów zajęły nam lata, ale teraz pozwalają nam one rutynowo uzyskiwać niezwykle ostre i szczegółowe obrazy nieba w zakresie fal radiowych o niskiej częstotliwości. Dane o dużej rozdzielczości czasowej pozwalają na przykład na poszukiwanie zmiennych w czasie sygnałów generowanych przez gwiazdy posiadające planety – dodaje.
Dodatkowym wyzwaniem było wyodrębnienie danych z archiwów teleskopu i rozłożenie obciążenia obliczeniowego na wiele wysokowydajnych systemów komputerowo-obliczeniowych. – Ilość danych, z którymi mieliśmy do czynienia – łącznie 18,6 petabajtów – była ogromna i wymagała ciągłego przetwarzania i monitorowania przez wiele lat, wykorzystując ponad 20 milionów godzin pracy procesorów – mówi dr Alexander Drabent z Obserwatorium w Turyngii w Niemczech.
Perspektywy na przyszłość
W związku z trwającą modernizacją teleskopu LOFAR do wersji LOFAR2.0, Konsorcjum planuje wykorzystać wyniki obecnego projektu (tzw. LoTSS-DR3), a także opracować algorytmy przetwarzania danych w taki sposób, aby podwoić ich prędkość pracy. Dodatkowo, najnowsze osiągnięcia w dziedzinie przetwarzania danych pozwolą na łatwiejsze tworzenie map na podstawie obserwacji radiowych o znacznie wyższej rozdzielczości, a to otworzy drzwi do jeszcze bardziej szczegółowych badań – dotychczas niedostępnych.
– LoTSS-DR3 nie jest zwieńczeniem badań, ale ważnym kamieniem milowym – zauważa dr Wendy Williams z obserwatorium Square Kilometer Array Observatory. – Nowe instrumenty takie jak LOFAR2.0 pozwolą mapować Wszechświat na falach radiowych z jeszcze większą czułością i rozdzielczością, przenosząc obecne badania daleko w przyszłość – dodaje.
Źródło: Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego, Elżbieta Kuligowska, fot. Maya Horton and the LOFAR surveys collaboration
