Kompjuteri i astronomija

Najjači teleskopi na našoj planeti zapravo su veoma moćni računari

Priprema za ugradnju jednog od osamnaest segmenata berilijumskog ogledala za teleskop Džejms Veb

Početkom 17. veka Galileo Galilej napravio je prvi teleskop (grč. thlesko’poV, teleskopos – gledanje na daljinu). Ovaj uređaj sastojao se od dva sočiva postavljena na krajevima cevi, i to tako da osobi koja gleda kroz njega pruža uvećanu sliku objekta koji posmatra. Napredak astronomije ne može se zamisliti bez teleskopa, ali uticaj ovog izuma na naučnu disciplinu nije jednosmeran. Potreba astronoma za aparatima sa moćnijim uvećanjem i boljim kvalitetom slike bila je pokretač razvoja sve boljih teleskopa. Pedesetak godina nakon Galileovog refrakcionog teleskopa, napravljen je prvi refleksioni, koji za sakupljanje svetlosti nije koristio sočivo već ogledalo. Pošto je (kako pre 400 godina tako i danas) mnogo lakše napraviti veliko ogledalo nego veliko sočivo, ovaj dizajn doneo je ogromno povećanje rezolucije.

Sledeći korak u razvoju teleskopa napravljen je tek 1937. godine stvaranjem radio-teleskopa. Za razliku od optičkih, pomoću kojih se na noćnom nebu mogu videti samo vreli objekti puni energije kao što su zvezde, galaksije ili magline, radio-teleskopi pružaju i slike kosmičkih objekata sa manje energije koji emituju talase izvan vidljivog spektra. Samo devet godina kasnije, napravljen je prvi astronomski radio-interferometar. Interferometrija se kao tehnika prvo koristila u optičkim teleskopima i podrazumeva spajanje (interferenciju) talasa dobijenih iz više izvora, što rezultuje mnogo većom rezolucijom teleskopa. To praktično znači korišćenje više antena kako bi se napravio jedan veliki, jedinstveni radio-teleskop. Trenutno, brojne svetske agencije prave sve veće i moćnije teleskope, bilo da su u pitanju uređaji na površini Zemlje ili sateliti u njenoj orbiti, sve od optičkih uređaja sa gigapikselskim senzorima do radio-teleskopskih postrojenja. Ipak, od svih uređaja koji nam pružaju uvid dalje u dubine svemira, najmoćniji teleskop nema ni ogledala, ni sočiva, ni senzore, ni sopstvenu radio-antenu – on se nalazi u računaru.

Gigapikseli

Talasne dužine i frekvencije elektromagnetnog spektra i teleskopi koji ih posmatraju (1. - Spektr-R, 2. - ALMA, 3. - Planck, 4. - Herschel, 5. - Spitzer, 6. - Webb, 7. - Hubble, 8. - Suzaku, 9. - Chandra, 10. - Fermi)

Kako su optički teleskopi napredovali, naučnici su spoznavali da je zapravo ljudsko oko počelo da predstavlja barijeru zbog svojih ograničenja pri gledanju slika dalekih svemirskih objekata. Rešenje za premošćivanje tog problema je stvaranje sistema koji je u stanju da snimi slike ultravisokog kvaliteta, a one mogu kasnije polako da se analiziraju, obrađuju i proučavaju. Poslednji teleskop takve vrste je VST (VLT Survey Telescope), čija je izgradnja finalizovana prošle godine u Čileu, u opservatoriji Sero Paranal. U srcu ovog teleskopa nalazi se takozvani OmegaCAM, mozaik od 32 CCD senzora ukupne rezolucije 268 megapiksela. Da bi se smanjile oscilacije tokom njegovog preciznog merenja, sam senzor nalazi se u specijalnom vakuumskom kućištu u kojem temperatura iznosi –140 °C. Ovaj uređaj omogućava snimanje celog vidljivog spektra i raspolaže sa 12 filtera, koji mogu dodatno da smanje spektralni opseg, zavisno od potreba snimanja. OmegaCAM nastao je u saradnji ESO-a (European Southern Observatory) i stručnjaka, odnosno kompanija iz Italije, Holandije i Nemačke. Glavni „problem” ovog uređaja je u tome što godišnje proizvodi oko 30 terabajta sirovih podataka, te su potrebna dodatna sredstva za njihovu analizu.

Tek što je VST postavljen, počela je da se planira još moćnija superkamera. U pitanju je Large Synoptic Survey Telescope ili LSST, koji će biti postavljen takođe u Čileu, na planinskom vrhu El Penjon. Osnova ovog teleskopskog sistema biće najveća digitalna kamera na svetu dimenzija 3 x 1,6 m i težine 2,8 tona. Mozaički senzor ove kamere imaće prečnik 64 cm i rezoluciju čak 3,2 gigapiksela. Interesatno, ali najimpresivnija karakteristika ovih specifičnih CCD čipova nije njihova rezolucija već osetljivost. Ovi senzori stvoreni su za snimanje sa dugom ekspozicijom (od 15 sekundi pa čak i do nekoliko dana) kako bi uhvatili i najmanje izvore svetla na noćnom nebu. Iako je uređaj u svom najbržem režimu rada u stanju da napravi „samo” tri fotografije u minutu, to i dalje znači između 20 i 30 TB podataka u toku samo jedne noći snimanja.

VLT kalibriše optiku tako što u stratosferi pravi veštačku zvezdu pomoću lasera

LSST će biti najveća kamera na planeti, ali neće biti najveća ikad napravljena. ESA-in satelit Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), čije je lansiranje planirano za mart sledeće godine, na sebi nosi još moćniji mozaički senzor rezolucije veće od 4,5 gigapiksela. Senzorski panel ovog teleskopa sastoji se od 106 CCD-ova visoke osetljivosti. Da stvari budu još impresivnije – u pitaju je 3D kamera. Gaia ima dva reflektorska sistema koji projektuju snop svetlosti na ovaj CCD senzor. Na osnovu razlika između uglova ova dva snopa stvara se 3D slika, a plan ESA-e je da pomoću Gaie stvore 3D mapu naše galaksije.

Još satelita

Svemirski teleskop Habl lansiran je pre više od dvadeset godina. Iako veliki deo svoje medijske pažnje duguje kvarovima, popravkama i unapređenjima, on ostaje najpoznatiji i najproduktivniji uređaj ove vrste. Njegov prvi naslednik, svemirski teleskop Spicer, nije toliko medijski eksponiran, što zbog svoje specifične uloge što zbog činjenice da je koštao samo delić Hablovog budžeta. Ipak, Spicerova misija nije ništa manje impresivna, on obavlja snimanja u infracrvenom delu spektra, što omogućuje da se vide daleki mladi stelarni objekti, odnosno zvezde u rađanju, kao i određene vrste planeta van našeg sistema. Kako bi uspešno snimao na talasnim dužinama od 5,8 i 8 mikrometara, Spicerova aparatura hlađena je na 5,5 kelvina (–267,5 °C) pomoću tečnog helijuma. Godine 2009. zalihe tečnog helijuma koje je satelit poneo sa sobom su potrošene, i od tada se radna temeperatura stabilizovala na oko 30 K, a teleskop je i dalje u stanju da snima na talasnim dužinama 3,6 i 4,5 mikrometara.

Nova „zvezda” u Zemljinoj orbiti uskoro bi trebalo da postane svemirski teleskop Džejms Veb. Ovaj kompleksni projekat počeo je još 1996. godine i plod je saradnje 17 zemalja koje predvode NASA i ESA. Iako je više od tri četvrtine uređajâ za ovaj teleskop već napravljeno, tokom novembra prošle godine američki Kongres zamalo je obustavio rad na Vebu zbog premašenih planiranih troškova. Zapravo, teleskop Veb poslednji je veliki Nasin projekat koji nije ugašen ili pauziran zbog finansijske krize. Njega od svih dosadašnjih projakata izdvaja nekoliko stvari. Sem što mu je masa upola manja nego Hablova, Vebovo primarno ogledalo je pozlaćeni berilijumski reflektor od 6,5 metara – pet puta veći od Hablovog, što ga čini mnogo preciznijim. Sem toga, ovo ogledalo je segmentirano, što omogućava specifična podešavaja zavisno od toga šta se snima. Druga bitna stvar je Vebova planirana orbita. Ovaj teleskop će kružiti u takozvanoj L2 halo orbiti (oko druge Lagranžove tačke sistema Zemlja-Sunce), na 1.500.000 km od Zemlje, što je četiri puta dalje nego Mesec. Na tako dalekoj orbiti izbegavaju se oscilacije u Sunčevom osvetljenju zbog blizine Zemlje i Meseca. Izbegavanje ovih oscilacija bitno je za ispravno funkcionisanje Vebovog specijalniog radijacionog štita, koji snižava temperaturu primarnog ogledala do 40 K (–233 °C) i omogućava veću osetljivost i rezoluciju teleskopa. Veb će praviti slike u vidljivom i srednjem delu infracrvenog spektra.

U grupu moćnih aktuelnih svemirskih teleskopa spadaju i Fermi, koji meri gama radijaciju, zatim svemirska opservatorija Plank, koja meri pozadinsko mikrotalasno zračenje. Satelit Heršel takođe se nalazi u pomenutoj visokoj L2 halo orbiti. Sa ogledalom od 3,5 metara Heršel je najveći orbitalni teleskop koji osmatra daleki infracrveni i submilimetarski spektar. Ipak, najveći teleskop u orbiti je Spektr-R, ruski radio-teleskop prečnika čak 10 metara. Podaci koje prikuplja Spektr-R ne koriste se samostalno, već on zahvaljujući interferometriji poboljšava kvalitet slika sa radio-teleskopa na površini naše planete.

ALMA, oko u pustinji

Kada smo već kod radio-teleskopa na površini, oni i dalje ostaju najmoćniji teleskopi za koje danas znamo. Budući da rade na osnovu precizne i pre svega planirane interferencije, potrebno je izbeći brojne smetnje koje prave svi izvori elektromagnetnog zračenja. Zato se ovakvi uređaji grade na izolovanim lokacijama, što dalje od naselja i industrijskih postrojenja. Do sada je najpoznatiji i najveći teleskop ovakvog tipa bio Very Large Array u Novom Meksiku sa 27 antena raspoređenih u obliku slova Y, mada će se i to uskoro promeniti.

Zbog velike nadmorske visine i malo atmosferskih i elektromagnetnih smetnji za uređaje, severni Čile je idealna lokacija za brojne astronomske komplekse. Deo pustinje Atakama poznat kao visoravan Čagnantor, na 5 km nadmorske visine, postao je dom za najveće astronomsko postrojenje na planeti. Atacama Large Milimeter-sub-milimeter Array, ili skraćeno ALMA, predstavlja mrežu radio-teleskopa koju čine antene od 7 i 12 metara raspoređene tako da formiraju astronomski interferometar. Ovo je kulminacija projekta započetog pre 16 godina, a kada tokom ove godine bude završen, ALMA će sadržati 66 teleskopa i detektovaće radio-talase dužine između 0,3 i 9,6 milimetara. Ove talasne dužine proizvode udaljeni objekti u svemiru čija se temperatura kreće između samo 10 i 50 stepeni Kelvina. Slično manjim postrojenjima ovog tipa, ALMA će imati podesivi „zum”, tačnije pojedine antene moći će da se pomeraju kako bi se povećala rezolucija na određenom delu neba. Kako su neke od antena teške i više od 110 tona, za potrebe njihove instalacije, kao i kasnijeg pomeranja, napravljena su dva specijalna teretna vozila od 130 tona koja automatizovano podižu i pomeraju ove antene od 150 m pa sve do 16 km, što je i prečnik ovog impresivnog postrojenja.

Ovaj projekat, vredan više od milijardu dolara, nastaje saradnjom evropskih, američkih i azijskih agencija i, naravno, Republike Čile, na čijoj je teritoriji podignut. Krajem jula prošle godine, nakon što je postavljeno prvih 16 antena, ALMA je puštena u rad. Početkom oktobra javnosti je data i prva zvanična slika, na kojoj se vide sudarajuće galaksije Antene iz sazvežđa Gavran. Sama slika nije dobijena isključivo podacima sa Alme, već je u pitanju kompozit podataka sa teleskopa ALMA, VLA (Novi Meksiko), CTIO (Čile) i Habl (Zemljina orbita).

Crne rupe

Šta se dešava onda kada ni ovako moćni teleskopi ne mogu da zadovolje potrebe astronomskih istraživanja? Jedan od najvećih izazova sa kojima se astrofizičari već godinama suočavaju je pokušaj da se teorija relativnosti i kvantna mehanika spoje u jedinstven model funkcionisanja univerzuma, a to se naziva kvantna gravitacija. Pored eksperimenata koji se vrše u CERN-u, granične vrednosti opšte teorije relativnosti mogu da se testiraju i u blizini crnih rupa. Naučnici su uspeli da posredno vide efekte crnih rupa na nebeska tela, ali za posmatranje dešavanja oko horizonta događaja crne rupe u centru naše galaksije bio bi neophodan optički teleskop sa ogledalom prečnika 4500 km. Kako napraviti toliku grdosiju kada je prosečni prečnik naše planete nešto manji od 13.000 km? Ništa lakše – napraviće se virtuelni teleskop u računaru! Naučnici iz opservatorije Haystack pri Univerzitetu MIT koriste svoj računar nazvan EHT (Event Horizon Telescope) za korelaciju podataka iz radio-teleskopa udaljenih hiljadama kilometara, čime se dobija do sada nezamisliv stepen detalja. Kombinovanjem podataka sa teleskopa ARO/SMT u Arizoni, JCMT sa Havaja i CARMA u Kaliforniji dobijeni su impresivni snimci, ali nedovoljne detaljnosti za potrebe istraživača. Tokom narednih godina radio-teleskop ALMA biće integrisan u sistem EHT, pa se tada i očekuje da ćemo dobiti prvu detaljnu sliku crne rupe, na osnovu koje će astrofizičari moći da testiraju kako Ajnštajnovu opštu teoriju relativnosti tako i svoje nove pretpostavke o kvantnoj gravitaciji.

Dragan KOSOVAC