Астрономија

Во потрага по првите ѕвезди со LOFAR

LOFAR е најновиот телескоп кој е ставен на располагање на астрономите од целиот свет. Официјално беше пуштен во употреба во Јуни 2010 година. Можеби се прашувате каде се спектакуларните слики од големото огледало, куполата, и на кој непристапен планински предел е изграден.

Одговорот е дека нема ни огледало, ни огромна зграда за телескопот, а локацијата е насекаде во полињата на северна Холандија (и на локации во: Германија, Британија, Франција, Полска и Литванија). Тоа е затоа што LOFAR (LOw Frequency ARray – нискофреквентна низа) не е оптички телескоп кој користи видлива светлина, туку радио телескоп којшто го набљудува универзумот користејќи радио бранови. И тоа не било какви радио бранови, туку оние со ниски фреквенции, од околу 10 MHz до 240 MHz. За споредба, FM радио станиците емитуваат програма на фреквенции кои што се наоѓаат во опсегот од 87 MHz до 108 MHz. За радио астрономите ова се навистина ниски фреквенции, на коишто не се вршени многу истражувања. Многу е важно да се направат детални набљудувања во овој фреквенциски опсег, а посебно набљудувања со висока резолуција. Важноста се состои во тоа што на овие ниски фреквенции процесите во небесните тела коишто го произведуваат радио зрачењето се со помала енергија, па соодветно, ќе можеме да видиме какви се познатите радио извори во тој енергетски домен, а исто така и ќе биде возможно да се откријат и нови, досега непознати радио извори кои поради различни причини зрачат многу малку моќност на повисоките фреквенции.

За да се оствари оваа амбициозна програма на набљудување, потребен беше инструмент како LOFAR. Изработен според нов концепт, без користење на скапи антени, и со доволно голема активна површина за да овозможи прецизно мапирање на небото. Посебноста на инструментот е во тоа што тој е интерферометар, радио-сликите на небото се добиваат со комбинирање на зрачењето кое е регистрирано со повеќе антени истовремено. А самите антени не се оние добро познати „чинии“, препознатливи од филмовите како на пример „Контакт“. За ниските фреквенции на кои LOFAR работи, тие не се потребни. Секоја „антена“ е составена од десетици мали антени. Зрачењето што го регистрира секоја од нив се претвора во електричен сигнал кој се дигитализира и се обработува во еден специјален суперкомпјутер. Така, една антена се „конструира“ софтверски. Самиот LOFAR се состои од 53 вакви „софтверски антени“. Предноста на овој пристап е во тоа што целиот телескоп може да се конструира од многу евтини елементи. Ако поминете покрај полето кое ги содржи поединечните антени, многу е веројатно дека нема ни да ги забележите. Уште една голема предност е тоа што нема подвижни делови. Телескопот ги избира целите за набљудување и ги следи по небото пак со помош на компјутер. Уште повеќе, може да набљудува и во повеќе насоки истовремено. Објектите кои LOFAR ги проучува се разновидни. Од релативно блиски радио галаксии, пулсари, космички зраци, остатоци од супернови и остатоци од судири во галактичките јата, се до зрачењето од квазари „на крајот“ на вселената.

Но, еден од главните истражувачки проекти на којшто се работи е тоа да се отиде уште подалеку и да се детектира зрачењето на првите ѕвезди кои се формирале после Создавањето. Според моделот кој е во моментов најшироко прифатен, Вселената е создадена во голема „експлозија“ која се случила пред околу 14 милијарди години. Не е тоа класична експлозија како кога експлодира петарда на пример, кога се знае каде се случила експлозијата и каде што имаме ширење на фронт од мали парченца од експлодираната направа. Експлозијата на Почетокот го создала самото простор-време, односно во тој момент се создала и содржината на универзумот (енергија/материја) и самата основа за мерење на растојанија (просторот) и интервали (времето). Точно поради ова, големата експлозија не е класична експлозија, туку се случила насекаде истовремено („насекаде“ значи во целиот тогашен Универзум кој бил многу помал од денешниов). Простор-времето во тие моменти било исполнето со енергија, а како што простор–времето се ширело, така и волуменот на Космосот се зголемувал и температурата опаѓала, па по неколку минути било доволно ладно за да се формираат и првите наједноставни атоми (оние на водородот) од елементарните честички кои се создале од енергијата присутна во Почетокот. Она што е значајно за овој момент е следното. Се до моментот на создавање на овие први атоми, целата материја во тогашната Вселена била во состојба на плазма (јонизирана), т. е. електроните и протоните си постоеле независно едни од други, во рамнотежа со фотоните и го исполнувале целиот простор. Но, штом се формирале атомите, наеднаш електроните и протоните се поврзале и фотоните немало со што да се во рамнотежа односно можеле да се движат слободно. Ако претходно тие фотони имале време да изминат сосем мало растојание пред да се судрат со некој протон или електрон, после формирањето на атомите, времето помеѓу два судари на еден фотон со атом на водород драстично се зголемило, односно фотоните сега можеле да преминуваат големи растојанија. Дури и кога ќе се случел судар, атомот се јонизирал само за кратко време а потоа емитувал нов фотон штом електронот и протонот пак ќе се соединеле. Овие слободни фотони не биле имуни на ширењето на вселената, како што патувале, губеле енергија поради тоа ширење и денес стигнуваат до нас како многу слабо зрачење со бранова должина од неколку милиметри, рамномерно распределено по цело небо. Ова е познатото позадинско зрачење кое е еден од главните докази за теоријата на големата експлозија (Big Bang).

После оваа епоха, Вселената била исполнета со неутрален гас. Немало ѕвезди, немало ни галаксии, ништо што произведува светлина. Ова е таканаречениот период на „темните времиња“. Се разбира дека ова не можело да потрае бесконечно долго, ако било така, денес ние немаше да постоиме. Под влијание на гравитацијата, гасот започнал да формира региони на поголема густина, тие региони уште повеќе се згуснувале и се формирала првата ѕвезда, а после неа и други. Во тој момент, првиот зрак на светлина се родил во мрачниот Космос, за првпат после Создавањето. Овие ѕвезди започнале да емитуваат ултравиолетова светлина која можела пак да го јонизира водородот, т. е. да го раздели на протони и електрони. Кога тоа започнало, околу овие објекти кои што светеле се создавале се поголеми и поголеми „меурчиња“ на јонизиран гас (плазма), но бидејќи сега густината на овој јонизиран медиум била доволно мала, честичките не можеле толку лесно да формираат атоми брзо по јонизирањето. Јонизираните региони од поединечни ѕвезди започнале да се спојуваат и постепено се создала состојбата која ја гледаме денес, а тоа е дека најголем дел од гасовите во вселената се јонизирани, со мала густина и светлината од далечни региони на вселената може да стигне до нас (Слика 1). Ова е таканаречената епоха на рејонизација (Epoch of Reionization – EoR)

Слика 1. Епоха на рејонизација (Epoch of Reionization – EoR). (ИЗВОР И АДАПТАЦИЈА: презентација на Вибор Јелиќ во името на LOFAR-EoR тимот)
Слика 1. Епоха на рејонизација (Epoch of Reionization – EoR). (ИЗВОР И АДАПТАЦИЈА: презентација на Вибор Јелиќ во името на LOFAR-EoR тимот)

Која е улогата на LOFAR во сево ова? Погоре рековме дека постоел период кога цела материја во Вселената била во форма на неутрален водород. Овој неутрален водород има едно интересно својство. Протонот и електронот во атомот на водород може да се најдат во две состојби. Едната е кога и протонот и електронот „се вртат“ околу своите „оски“ во иста насока, а другата е кога „вртењето“ на протонот е во една насока, а на електронот во друга. Овие две состојби не се со иста енергија и од време на време се случува атомот спонтано да премине од една во друга состојба. Притоа, се емитува зрачење (фотон) кој има мала енергија, односно се наоѓа во радио делот од спектарот на фреквенција од 1.41 GHz. Кога се појавиле првите ѕвезди и првата светлина, видовме дека водородот започнал да се јонизира и тие јонизирани региони веќе не емитуваат вакво зрачење. Бидејќи знаеме кога се случило ова јонизирање, можеме и да пресметаме за колку ќе се намали фреквенцијата на ова зрачење (поради ширењето на Вселената) од моментот кога водородот го емитувал до денес. Денес може да го детектираме ова зрачење ако наблудуваме во фреквенциите на кои ќе работи LOFAR. Истовремено, LOFAR е идеален инструмент затоа што има висока осетливост за да го детектира ова зрачење и е способен да набљудува големи делови од небото, а ова е значајно бидејќи регионите кои го емитуваат ова зрачење зафаќаат голема површина на небото.

Како би изгледало ова зрачење ако успешно се детектира сигналот? Видовме дека пред да се формираат првите ѕвезди насекаде имало водород, значи целото небо зрачи. После создавањето на првите ѕвезди, започнуваат да се појавуваат меурчиња кои не зрачат. Значи, како што телескопот скенира фреквенции кои одговараат на различни времиња околу времето на настанување на првите ѕвезди би требало да видиме рамномерно осветлено небо кое постепено се „кине“ како што материјата се повеќе и повеќе се јонизира (Слика 2).

Слика 2. Рејонизирачки модел и црвено поместување. (ИЗВОР: Cross-correlation Study between the Cosmological 21-cm Signal and the Kinetic Sunyaev-Zel’dovich Effect)
Слика 2. Рејонизирачки модел и црвено поместување. (ИЗВОР: Cross-correlation Study between the Cosmological 21-cm Signal and the Kinetic Sunyaev-Zel’dovich Effect)

Секако, ова е идеализирана слика. Пред сѐ, LOFAR нема доволна осетливост за да направи слики од овој процес, туку сѐ што може е да го регистира статистички, т. е. кога веќе ќе го детектира потребниот сигнал, да ги определи неговите вредности за различни делови на небото не преку правење на слики, туку преку испитување на статистичките особини на тој сигнал во зависност од тоа од кој правец доаѓа.

Слика 3. На сликата се прикажани различните галактички и екстра-галактички загадувачи на сигналот за епохата на рејонизација – EoR. (ИЗВОР: The LOFAR-EoR Key Project)
Слика 3. На сликата се прикажани различните галактички и екстра-галактички загадувачи на сигналот за епохата на рејонизација – EoR. (ИЗВОР: The LOFAR-EoR Key Project)

Пред да се оствари вакво мерење, треба да се решат многу проблеми кои се појавуваат кога се работи на вака ниски фреквенции, а тоа е влијанието на материјата во нашата галаксија, просторот меѓу галаксиите, како и (можеби и најзначајно) влијанието на јоносферата на Земјата врз простирањето на оној сигнал кој го бараме (Слика 3). Овие предизвици се големи, но не се толку големи за да не може да се совладаат и во моментот кога ова го пишувам, LOFAR ги врши првите набљудувања со чија анализа ќе можеме посредно да го видиме настанувањето на првите ѕвезди.

Претходен напис
Ајде на читање бесплатни научни ревии
Следен напис
Универзум, луѓе и машини: разговор со астрофизичарот Марко Шунтов [#11]

Напишете коментар

Вашата адреса за е-пошта нема да биде објавена. Задолжителните полиња се означени со *

Пополнете го ова поле
Пополнете го ова поле
Ве молам, внесете валидна адреса за е-пошта.

Мени
Споделете со пријателите