CHIME - całkiem inny radioteleskop! | Urania

Prototyp CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) już zaczął działać. Otwarto go we wrześniu ubiegłego roku w górzystej, południowej Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie. To kolejny wielki przełom w radioastronomii!

CHIME to radioteleskop cyfrowy. Oznacza to, że cały proces tworzenia obrazu nieba zachodzi za pośrednictwem jego oprogramowania. Jest to możliwe dzięki jego wyspecjalizowanym komponentom, w tym wzmacniaczom dla telefonów komórkowych i kartom graficznym opracowanych dla systemów związanych z grami wideo. Ten uniwersalny, programowalny sprzęt komputerowy pozwoli teleskopowi lepiej niż dotąd badać trzy ważne aspekty współczesnej astronomii: ciemną materie i energię, promieniowanie pulsarów, oraz szybkie błyski radiowe (FRB).

CHIME skanuje niebo nie posiadając przy tym żadnych ruchomych części. Porusza się wraz z ruchem obrotowym Ziemi, widząc całą północną półkulę. Jego czujniki składają się z mierzących 20 na 100 metrów reflektorów siatkowych, przy czym oś ogniskowa każdego takiego odbłyśnika jest wyłożona 256 antenami o podwójnej polaryzacji. Wejścia wszystkich tych anten są połączone, dzięki czemu CHIME jest największym niestandardowym korelatorem na świecie (korelatory łączą i wzmacniają słabe sygnały radiowe, aby zapobiec ich zagubieniu w szumach tła i zakłóceniach instrumentalnych). Lokalizacja CHIME również sprzyja jego dużej wydajności. Kanadyjskie obserwatorium DRAO (Dominion Radio Astrophysical Observatory) jest dobrze chronione przed zakłóceniami powodowanymi przez sztuczne, ziemskie fale radiowe.

Teleskop przetwarza dane w dwóch etapach. Sygnały analogowe są najpierw digitalizowane przez aparaturę "F-Engine". Informacje te są następnie przesyłane do "X-Engine" w celu wykonania ich analizy przestrzennej, dzięki czemu ma już miejsce odtworzenie rzeczywistego obrazu nieba. F-Engine musi przy tym przetwarzać 13 do 14 terabajtów na sekundę. To mniej więcej tyle, co cały światowy ruch danych w sieci komórkowej!

Modele ciemnej energii

CHIME był pierwotnie zaprojektowany właśnie do badań ciemną materią i energią. Astronomowie sądzą, że to ciemna energia jest siłą odpowiedzialną za zwiększającą się szybkość ekspansji Wszechświata. Naukowcy pracujący w tym projekcie będą używać teleskopu do mapowania największej objętości kosmosu, jaką kiedykolwiek zbadano, co ma pozwolić na lepsze zobrazowanie rozszerzania się Kosmosu i modelowanie efektów działania ciemnej energii. Naukowcy będą badać rozkład neutralnego wodoru, na który wpływają barionowe oscylacje akustyczne (BAO), czyli sferyczne otoczki materii o większej gęstości niż całe ich otoczenie. Stanowią one efekt związany z falami akustycznymi, jakie rozchodziły się we wczesnym Wszechświecie przez kilkaset tysięcy lat, zostawiając po sobie kuliste powłoki o średnicy około czterystu milionów lat świetlnych. To wielkość, jaką znamy i rozumiemy - a struktury te mogą zapewnić astronomom standardową linijkę do pomiaru kosmicznych odległości.

Neutralny wodów emituje fale radiowe na częstotliwości 21 centymetrów (1420 MHz). Ale ekspansja Wszechświata rozciąga silnie tę falę ku większym długościom, więc CHIME jest zoptymalizowany do obserwacji w zakresie od 400 do 800 MHz (co odpowiada długości fali od 75 do 38 cm), pozwalając na poszukiwanie tej emisji na bardzo dużych odległościach kosmologicznych. Dzięki temu aparatura może mapować gęstość wodoru dla wartości przesunięcia ku czerwieni z zakresu nawet 0,8 do 2,5, czyli dla czasu, gdy Wszechświat miał 2,5 do 7 miliardów lat. Naukowcy sądzą, że to właśnie wtedy ciemna energia zaczęła odgrywać ważną rolę. Dlatego chcą porównywać typowe wielkości sfer BAO i ich zmienność wraz z odległością (szacowaną zależność pomiędzy tymi wartościami) z ich odległościami mierzonymi wprost z prędkości wynikających z przesunięcia ku czerwieni. To ma nam dać pełniejszy obraz historii ekspansji kosmosu. Dla przykładu - jeśli Wszechświat "przyspiesza" płynnie, można spodziewać się wykresu o określonym kształcie, ale inne modele przyspieszenia jego ekspansji dadzą w efekcie całkiem inne kształty.

Podobne badania BAO przeprowadzano już wcześniej, ale poprzez pośrednie pomiary rozkładów odległych galaktyk, co było trudnym i żmudnym procesem. Metoda badania rozkładu wodoru związana z CHIME będzie szybsza i ma szansę zapewnić wyższą rozdzielczość.

Szybkie błyski radiowe

Temat ten stał się w nauce głośny w zasadzie w czasach wczesnego planowania konstrukcji CHIME. Zdecydowano się wówczas na usprawnienia, które pozwolą teleskopowi aktywnie włączyć się w badania tych niezwykle ciekawych zdarzeń na niebie. Szybkie błyski radiowe trwają tylko przez kilka milisekund. Astronomowie teoretyzują, że są one wywoływane przez szybko obracające się gwiazdy neutronowe lub czarne dziury, ale dotychczas wiemy o nich bardzo niewiele. A choć do tej pory odkryto tylko kilkadziesiąt zjawisk FRB (w tym jeden powtarzający się błysk), niektórzy uważają, że każdego dnia może występować ich nawet do 10 000 na całym niebie. Niestety, żaden współczesny teleskop nie jest w stanie śledzić na bieżąco tak szerokiego obszaru. CHIME może jednak zapewnić ciągłe obserwacje niezbędnego do scharakteryzowania rozkładów i zachowań FRB.

Fale grawitacyjne i pulsary

Przy okazji CHIME może przyczynić się do detekcji fal grawitacyjnych. Pulsary to szybko obracające się, silnie namagnesowane gwiazdy neutronowe, które emitują energię radiową z obszarów swych biegunów magnetycznych. Działają przy tym jak niezwykle precyzyjne zegary kosmiczne. Radioteleskopy z całego świata monitorują dużą liczbę pulsarów i katalogują ich zmienność w czasie w ramach projektu Pulsar Timing Array (PTA), Zmienność w czasach rotacji pulsarów może być użyta jako wskaźnik przejścia fal grawitacyjnych przez dany obszar czasoprzestrzeni. A CHIME będzie w stanie dokładnie obserwować pulsary widoczne z półkuli północnej, dostarczając tym samym dane zwiększające precyzję i czułość badań PTA.

Zdaniem kanadyjskich astronomów CHIME może więc w dużej mierze zrewolucjonizować radioastronomię. Instrument jest nowatorski zarówno pod względem koncepcji, jak i technologii, co oznacza, że przejdzie on przez rozbudowany program uruchamiania, zanim zostanie w pełni wykorzystany w praktyce. Pierwszy rok swojej pracy spędzi niemal wyłącznie na testach i kalibracji. To całkiem nowa technika obserwacji nieba, która wymaga ostrożnego podejścia - sposób, w jaki każdy kanał widzi niebo, czy sposób, w jaki dany kanał “widzi” swojego sąsiada, bardzo różni się od konwencjonalnych radioteleskopów.

Na zdjęciu: teleskop CHIME Pathfinder - prototyp planowanego wciąż, bardziej ogólnego projektu CHIME. Pathfinder znajduje się w obserwatorium Dominion Radio Astrophysical Observatory w pobliżu Penticton w Kanadzie. Źródło: Andre Recnik