Mapa czarnych dziur

0
7

Widoczne jasne punkciki nie są obrazem rozgwieżdżonego nocą nieba. To 25 tysięcy supermasywnych czarnych dziur – najbardziej szczegółowa mapa tych kosmicznych obiektów. Obraz nie został bowiem wykonany z wykorzystaniem światła widzialnego – mapa pokazuje wycinek nieba północnego wykonany w zakresie fal radiowych ultraniskich częstotliwości interferometrem LOFAR (Low Frequency Array), będącym siecią anten radiowych rozsianych na terenie niemal całej Europy. Dzięki swojemu rozległemu położeniu i obsłudze odpowiedniego zakresu fal elektromagnetycznych, LOFAR jest w stanie dostarczać obrazy rozległych obszarów i wypełniających je obiektów emitujących fale w najniższym zakresie (10 – 240 MHz), w tym strumieni plazmy wyrzucanych przez masywne czarne dziury.

Czarne dziury i strumienie materii

Czarne dziury stanowią jedne z najbardziej zagadkowych obiektów Wszechświata. Powstają w wyniku zapadania masywnych gwiazd, które kończą w ten sposób swój cykl życia. Ogólna teoria względności zakłada istnienie we wnętrzu czarnej dziury tzw. osobliwości, miejsca gdzie krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona, a oddziaływanie grawitacyjne ekstremalnie silne. Prowadzi to do sytuacji niezwykle problematycznej, gdzie załamują się wszelkie prawa fizyki. Istnienie czarnych dziur usankcjonowane zostało najpierw na gruncie teoretycznym, dopiero później pojawiły się dowody empiryczne. Obecnie dostajemy do rąk mapę z zaznaczonymi obszarami ich występowania.

Cień supermasywnej czarnej dziury w centrum Messier 87

Będąc najbardziej masywnymi obiektami Kosmosu czarne dziury posiadają grawitację na tyle silną, iż nawet promienie świetlne nie są w stanie wydostać się poza przestrzeń, którą obejmują swym oddziaływaniem. To sprawia, iż są niewidoczne dla wszelkich obserwacji optycznych z wykorzystaniem światła. Otoczone są linią horyzontu zdarzeń, granicą bez powrotu, po przekroczeniu której wszelka materia zostaje wchłonięta i zaabsorbowana. Opadająca na powierzchnię czarnej dziury materia może generować duże ilości promieniowania powstającego wskutek tarcia oraz jonizacji, a także w efekcie silnego przyspieszenia pochłanianych cząstek. Podczas “zasysania” materii następują także jej eksplozje w formie plazmowych dżetów, które mogą być reprezentowane emisją fal elektromagnetycznych w całym widmie promieniowania, również w ich najniższych zakresach, których obserwacją zajmuje się właśnie system LOFAR.

LOFAR

LOFAR jest rozproszoną infrastrukturą badawczą umożliwiająca realizację różnych projektów radioastronomicznych. System został zaprojektowany przez holenderską agencję jednoczącą instytuty radioastronomiczne ASTRON. W trakcie swojej działalności rozrósł się, skupiając obecnie dziewięć krajów (w tym Polskę, której udział koordynuje grupa POLFARO w składzie: Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie oraz Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe w Poznaniu), na terenie których znajdują się ośrodki oraz specjalistyczne instrumenty pomiarowe i obserwacyjne w liczbie około 25 000 anten tworzących zespoły zwane „polami” lub „stacjami”. Pięćdziesiąt dwie stacje połączone są siecią światłowodów, którą przesyłane są informacje odbierane dzięki systemom antenowym, zaś analizowane z wykorzystaniem superkomputera Blue Gene/L znajdującego się na uniwersytecie w Groningen. 

Realizacja projektu

Mapa czarnych dziur jest efektem dwustu pięćdziesięciu sześciu godzin obserwacji północnej części nieba. I choć obejmuje największy spenetrowany jak dotąd jego obszar ukazuje jedynie 2% możliwej do zbadania przestrzeni. Uzupełnienie mapy w ramach prezentacji całego północnego obszaru jest zadaniem mogącym potrwać nawet kilka lat. Ukazany obraz jest efektem żmudnej pracy nad wyjątkowo trudnymi danymi obserwacyjnymi – opracowania strategii, metod i sposobów przekształcania sygnałów radiowych na poprawny przekaz wizualny. Obserwacje na tak niskich częstotliwościach (50 MHz), odpowiadającym bardzo długim falom radiowym (do sześciu metrów) stanowią przykład pierwszego w historii wykorzystania fal tak długich do obserwacji tak rozległego obszaru przestrzeni kosmicznej. Obserwacje tego typu, jak również analiza samych danych są niezwykle trudne i wymagające zastosowania specjalnych superkomputerów z algorytmami, korygującymi na przykład wpływ jonosfery ziemskiej na wartości odczytów. Jonosfera, czyli warstwa wolnych jonów i elektronów otaczająca Ziemię na wysokości powyżej 50–60 kilometrów nad jej powierzchnią, występuje tutaj w charakterze soczewki przesuwającej się nad anteną radioteleskopu, zniekształcając i fałszując otrzymany obraz. W jonosferze następuje załamanie, odbicie, pochłanianie oraz polaryzacja fal radiowych. Aby zneutralizować wpływ jonosfery należało zatem zaprojektować specjalistyczne oprogramowanie niwelujące zniekształcenia sygnałów i niejako je rekonstruujące. Algorytmy korygowały każdy 4-sekundowy fragment obserwacji w ramach koniecznej obróbki sygnału. 

Projekt jest niezwykle pracochłonny, a co za tym idzie kosztowny. Astrofizycy są jednak zdania, że uzyskane efekty warte są poniesionych nakładów i mają nadzieję na kontynuowanie przedsięwzięcia.

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments