Nauki ścisłe [2021-04-07]

Obrazy radiowe młodego Wszechświata

— Redakcja

Międzynarodowy zespół astronomów, w którego składzie znajdują się także naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, opublikował najdokładniejszą w historii mapę Wszechświata w zakresie niskich częstotliwości radiowych, używając europejskiej sieci odbiorników LOFAR.

Aby tego dokonać, obserwowano wielokrotnie te same obszary nieba, by móc je następnie połączyć w jeden obraz o bardzo długiej ekspozycji. Dzięki temu na obrazie wykryto słabe poświaty radiowe od gwiazd, które eksplodowały jako supernowe w dziesiątkach tysięcy galaktyk, rozmieszczonych aż po najdalsze rejony Wszechświata. Specjalne wydanie czasopisma naukowego "Astronomy and Astrophysics" jest poświęcone czternastu pracom badawczym opisującym sposób powstania map i pierwsze wyniki naukowe.

Do tej pory radiowe obserwacje nieba w głównej mierze skupiały się na najjaśniejszej emisji, jaką możemy odebrać, czyli tej pochodzącej od masywnych czarnych dziur znajdujących się w centrum swoich galaktyk. Jednak obraz, jaki powstał na niskich częstotliwościach radiowych dzięki obserwacjom LOFAR-a, jest tak głęboki, że większość obiektów na nim widocznych to galaktyki takie jak nasza Droga Mleczna, których gwiazdy dopiero się tworzą. Połączenie bezprecedensowej czułości tego przeglądu i jego dużego obszaru na niebie - około 300 razy większego niż Księżyc w pełni - pozwala na wykrycie dziesiątek tysięcy galaktyk podobnych do naszej Drogi Mlecznej i położonych nawet na krańcach Wszechświata, w momencie, gdy jeszcze się tworzyły.

Co więcej, powstawanie gwiazd zwykle zachodzi w chmurach pyłu, które w zakresie fal widzialnych przesłaniają nam widok. Tymczasem fale radiowe przenikają przez pył, dzięki czemu możemy uzyskać pełny obraz tworzenia się gwiazd w galaktykach. Bardzo dokładne obserwacje wykonane za pomocą instrumentu LOFAR umożliwiły precyzyjne wyznaczenie związku między jasnością galaktyk w zakresie fal radiowych a tempem formowania się nowych gwiazd, a także pomogły w dokładniejszych ocenach liczby nowych gwiazd tworzących się w młodym Wszechświecie.

Ponadto unikalny zbiór danych pochodzących z przeglądu LOFAR umożliwił przeprowadzenie szeregu innych badań naukowych, takich jak badanie emisji radiowej pochodzącej z masywnych czarnych dziur w kwazarach czy też ze zderzeń olbrzymich gromad galaktyk. Analiza zebranych danych przyniosła również pewne zaskakujące rezultaty. Powtarzane co pewien czas obserwacje fragmentu nieba pozwoliły na badanie źródeł o zmiennej jasności. Umożliwiło to m.in. wykrycie czerwonego karła – gwiazdy CR Draconis. Gwiazda ta wykazuje wybuchy emisji radiowej, które bardzo przypominają te pochodzące z Jowisza i mogą być wywołane interakcją gwiazdy z nieznaną wcześniej planetą lub być wynikiem bardzo szybkiej rotacji gwiazdy.

Obrazy radiowe nieba uzyskuje się w wyniku przetworzenia ogromnej ilości danych. Aby stworzyć obrazy z LOFAR-a, połączono sygnały pochodzące z ponad 70 000 anten wchodzących w skład tego instrumentu, co dało ponad 4 petabajty surowych danych, czyli około miliona płyt DVD. Przetworzenie tej olbrzymiej ilości informacji i interpretacja uzyskanych obrazów możliwa była dzięki zastosowaniu najnowszych osiągnięć matematycznych z zakresu analizy danych.

Omawianymi badaniami kierował prof. Philip Best z Uniwersytetu w Edynburgu w Wielkiej Brytanii, a wzięli w nich udział również polscy astronomowie: prof. Krzysztof Chyży, dr Arti Goyal, dr hab. Marek Jamrozy, dr Błażej Nikiel-Wroczyński z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie; dr hab. Magdalena Kunert-Bajraszewska, mgr Aleksandra Wołowska z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu; dr hab. Katarzyna Małek z Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

LOFAR

Międzynarodowy Teleskop LOFAR (LOw Frequency ARray) to transeuropejska sieć anten radiowych, której centrum znajduje się w Exloo w Holandii. LOFAR został zaprojektowany, zbudowany i jest aktualnie obsługiwany przez ASTRON, Holenderski Instytut Radioastronomii. Francja, Irlandia, Łotwa, Holandia, Niemcy, Polska, Szwecja, Włochy i Zjednoczone Królestwo są krajami partnerskimi w konsorcjum Międzynarodowego Teleskopu LOFAR. Polskimi stacjami LOFAR-a kieruje grupa POLFARO, w skład której wchodzą właściciele 3 stacji: 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. Utrzymanie polskich stacji LOFAR-a finansowane jest przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.

Dr hab. Magdalena Kunert-Bajraszewska, prof. UMK – jest pracownikiem naukowym Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej oraz członkiem konsorcjum LOFAR (obserwacje radiowe na niskich częstotliwościach) i ATHENA-PL (satelitarne obserwacje rentgenowskie nieba). Prof. Kunert-Bajraszewska jest stypendystką Marie Curie Training Site Fellowship oraz Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Stypendium dla Wybitnych Młodych Naukowców). Jest również laureatką nagród Rektora UMK za działalność naukową oraz grantów MNiSW oraz NCN a obecnie kieruje grantem NCN SONATA BIS na założenie własnej grupy badawczej. W swojej pracy naukowej prof. Kunert-Bajraszewska zajmuje się badaniem galaktyk aktywnych, kwazarów oraz radiogalaktyk, ze szczególnym uwzględnieniem wczesnych etapów ich rozwoju. Badania tych obiektów prowadzone są w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego oraz w bardzo różnej skali rozdzielczej, m.in. z wykorzystaniem metod interferometrii wielkobazowej VLBI. Prof. Kunert-Bajraszewska jest współautorem ponad 40 publikacji naukowych w międzynarodowych, prestiżowych czasopismach astronomicznych. Od 2019 roku jest członkiem Rady Naukowej Uniwersyteckiego Centrum Doskonałości "Astrofizyka i Astrochemia".

Mgr Aleksandra Wołowska – jest doktorantką Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. Obecnie kończy swoją pracę doktorską, pisaną pod kierunkiem prof. Magdaleny Kunert-Bajraszewskiej, zatytułowaną "Multi-frequency and multi-epoch study of new transient radio AGNs". Praca ta dotyczy tzw. przejściowych zjawisk radiowych (ang. radio transients), które związane są prawdopodobnie z nowym wyrzutem relatywistycznej plazmy, czyli powstaniem młodego dżetu w pobliżu czarnej dziury. Pierwsze publikacje tych odkryć właśnie się ukazały w międzynarodowym czasopiśmie "Astrophysical Journal" (https://www.ca.umk.pl/?id=20911).