Z mapą wśród 25 000 supermasywnych czarnych dziur

Przygotowano na podstawie komunikatu miedzynarodowego zespołu naukowców

Międzynarodowy zespół astronomów, kierowany przez Francesco de Gasperina z Uniwersytetu w Hamburgu, w którego składzie znajduje się dwoje polskich naukowców, Krzysztof Chyży z Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Katarzyna Małek z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, stworzył największą i najdokładniejszą mapę nieba obserwowanego na ultraniskich częstotliwościach radiowych. Mapa opublikowana w czasopiśmie „Astronomy and Astrophysics” ujawnia ponad 25 000 aktywnych supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w odległych galaktykach.

Na pierwszy rzut oka mapa wygląda jak obraz rozgwieżdżonego nocnego nieba. Jest to jednak tylko złudzenie, gdyż nie została wykonana w świetle widzialnym, ale za pomocą interferometru LOFAR (jest to angielski skrót od LOw Frequency ARray, co tłumaczy się jako sieć radiowa na niskie częstotliwości). Oznacza to, że mapa pokazuje niebo w zakresie fal radiowych, w których gwiazdy są prawie niewidoczne. Za pomocą tej mapy astronomowie starają się odkryć różne obiekty, które głównie emitują fale o ultraniskich częstotliwościach radiowych. Do takich właśnie obiektów należy między innymi rozproszona materia w wielkoskalowej strukturze Wszechświata, egzoplanety oraz gasnące strumienie plazmy wyrzucane przez supermasywne czarne dziury, które najbardziej interesują naukowców z projektu LOFAR. Chociaż jest to jedna z największych map w zakresie fal radiowych, to ukazuje jedynie dwa procent nieba. Na dokończenie obserwacji całego nieba północnego trzeba nam będzie poczekać jeszcze kilka lat.

Fale radiowe odbierane przez LOFAR i wykorzystane w tej pracy mają długość aż do sześciu metrów, co odpowiada częstotliwości około 50 MHz. Są to najdłuższe fale radiowe kiedykolwiek użyte do obserwacji tak dużego obszaru nieba. Mapa jest wynikiem wielu lat pracy nad niewiarygodnie trudnymi danymi. Naukowcy należący do projektu musieli opracować i wdrożyć nowe strategie przekształcania sygnałów radiowych w obrazy nieba, ale dzięki temu udało się otworzyć nowe okno na Wszechświat.

Nie bez powodu Wszechświat na tak długich falach radiowych stanowił dla naukowców wielką niewiadomą, gdyż zarówno obserwacje, jak i dalsza analiza danych są niezwykle wymagające. Jonosfera, warstwa wolnych elektronów otaczająca Ziemię, działa jak soczewka nieustannie przesuwająca się nad radioteleskopem. Efekt działania takiej soczewki można porównać do próby oglądania świata, gdy się jest zanurzonym w basenie. Patrząc w górę, widzimy, jak fale na wodzie uginają promienie świetlne i zniekształcają widok. Aby zniwelować w zebranych danych zakłócenia jonosfery, naukowcy wykorzystali superkomputery i opracowali nowe algorytmy do rekonstrukcji zarejestrowanych sygnałów. Algorytmy te odpowiednio korygowały kolejne 4-sekundowe wycinki danych, obejmujących razem 256 godzin obserwacji.

LOFAR jest obecnie największym radioteleskopem pracującym na najniższych częstotliwościach, jakie można obserwować z Ziemi. Składa się on z 52 stacji rozmieszczonych w dziewięciu różnych krajach: Holandii, Niemczech, Polsce, Francji, Wielkiej Brytanii, Szwecji, Irlandii, Łotwie i Włoszech. LOFAR jest wspólnym projektem ASTRON, Holenderskiego Instytutu Radioastronomii oraz m.in. uniwersytetów w Amsterdamie, Groningen, Lejdzie, Nijmegen, Niemieckiego Konsorcjum Długich Fal (GLOW), do którego należy Uniwersytet w Hamburgu oraz polskiego operacyjnego konsorcjum POLFARO. W skład POLFARO wchodzą właściciele 3 polskich stacji LOFAR: Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie – stacja Bałdy, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie – stacja Łazy, Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie – stacja Borówiec oraz Poznańskie Centrum Superkomputerowo Sieciowe w Poznaniu. Wybudowanie w 2015 roku, utrzymanie 3 stacji oraz wkład krajowy do International LOFAR Telescope (ILT) finansowany jest przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.

Projekt „POLFAR – Radio interferometr o niskiej częstotliwości. Rozwój systemu: LOFAR 2.0” znajduję się również na obecnie obowiązującej liście strategicznych infrastruktur badawczych umieszczonych na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej.

Oryginalna publikacja: F. de Gasperin et al., “The LOFAR LBA Sky Survey. I. Survey description and preliminary data release", Astronomy & Astrophysics, 2021
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140316

Animacja: https://www.youtube.com/watch?v=-AhEFkTXUU0

Opis grafiki: 

Najbardziej szczegółowa jak do tej pory mapa nieba w zakresie ultradługich fal radiowych wykonana instrumentem LOFAR. Każda z 25 000 kropek ujawnia supermasywną czarną dziurę pochłaniającą materię z galaktyki, w której się znajduje. Mapa pochodzi z LOFAR LBA Sky Survey (LoLSS) – prowadzonego obecnie przeglądu całego nieba północnego za pomocą niskoczęstotliwościowej części interferometru LOFAR.