MÔŽE SKA KONEČNE POČUŤ TAJOMSTVÁ VESMÍRU?

Gigantický rádiotok, ktorý mení astronómiu navždy

Úvod

Kedy ste sa naposledy zamysleli nad tým, ako ďaleko môžeme rozšíriť naše zmysly, aby sme počuli vesmír?

Dnes sa ponoríme do Poľa štvorcového kilometra (SKA – Square Kilometre Array) – největšieho rádiového teleskopa na svete, rozprestierajúceho sa cez Južnú Afriku a Austráliu.

=================================================================

RÁDIOTOK A JEHO OSOBITOSŤ: ČO JE SKA?

Začnime jednoducho. Rádiotok je ako obrovské ucho, naladené na šepot vesmíru. Namiesto zachytávania viditeľného svetla počúva rádiové vlny – signály, ktoré sa šíria miliardami svetelných rokov a rozpovedajú nám príbehy o zrode hviezd, galaxií a možno aj samotného života.

Ale SKA nie je len ďalší rádiotok. Je to najambióznejší projekt svojho druhu, ktorý sa snaží vytvoriť zbernú plochu veľkosti jedného štvorcového kilometra. To je milión štvorcových metrov – asi 140 futbalových ihrísk. Je rozdelený medzi dve najodľahlejšie miesta na Zemi: púšť Karoo v Južnej Afrike a región Murchison na západe Austrálie. Tieto miesta sú tak vzdialené, že skôr ako iného človeka, tam stretneš klokanisko alebo springboka.

SKA je približne 50-krát citlivejší ako najlepšie rádiotoky, ktoré máme v súčasnosti. Môže mapovať oblohu 10 000-krát rýchlejšie ako čokoľvek iné. To nie je len krok vpred – je to skok.

=================================================================

AKO FUNGUJE SKA? DVA MIESTA, JEDNO OBROVSKÉ UCHO

Prečo je SKA rozdelená na dva kontinenty? Odpoveď spočíva v prírodovede a inžinierstve. Žiadna jednotlivá anténa nemôže pokryť celý rozsah rádiových frekvencií, ktoré chceme študovať. Takže SKA používa dva rôzne typy polí:

• SKA-Low v Západnej Austrálii pre nízke frekvencie (50–350 MHz)

• SKA-Mid v Južnej Afrike pre stredné a vysoké frekvencie (350 MHz–15,4 GHz, s plánmi ísť ešte vyššie)

Obe lokality sú vzdialené od miest a mobilných veží. To je úmyselné. Rádiotok potrebujú ticho – žiadne Wi-Fi, žiadne telefóny, žiadne mikrovlnné rúry. Len vesmír, šepkajúci v tme.

=================================================================

SKA-LOW VERZUS SKA-MID: SRDCE POĽA

Rozložme si dve hlavné časti SKA.

SKA-LOW (Západná Austrália)

• Umiestnenie: Inyarrimanha Ilgari Bundara, región Murchison

• Antény: 131 072 logaritmických periodických dipólovaých antén

• Stanice: 512, každá so 256 anténami

• Rozsah frekvencií: 50–350 MHz

• Jadro: Asi 50 % staníc sústredených do priemeru 1 km

• Ramená: Tri špirálne ramená, ktoré sa tiahnu až na maximálnu vzdalenosť 74 km

• Zberna plocha: približne 419 000 m²

Tieto antény vyzerajú ako kovové vianočné stromčeky. Nepohybujú sa. Namiesto toho používajú digitálne triky – tvarovanie lúča – aby „pozreli" rôznymi smermi. Je to ako mať tisíce uší, všetky spoločne počúvajúcich.

SKA-MID (Južná Afrika)

• Umiestnenie: Púšť Karoo

• Antény: 197 parabolických antén (133 nových SKA + 64 MeerKAT)

• Veľkosť antén: 15 metrov v priemere, offset Gregoriánsky dizajn

• Rozsah frekvencií: 350 MHz–15,4 GHz (budúcnosť: až 20 GHz)

• Jadro: Asi polovica antén v jadre s priemerom 2 km

• Ramená: Tri špirálne ramená, maximálna vzdialenosť 150 km

• Zberna plocha: približne 33 000 m²

Tieto antény sú plne nastaviteľné. Môžu sa namieriť na akékoľvek miesto na oblohe a hľadať všetko od pulsarov až po galaxie.

=================================================================

VEĽKOSŤ SKA A PREČO NA NOM ZÁLEŽÍ

Názov SKA vraví všetko: Pole štvorcového kilometra. Keď spočítaš všetky antény a anteny dohromady, dostaneš zbernú plochu blízku jednému štvorcovému kilometru. To je to, čo dáva SKA jej nadľudskú citlivosť.

• Citlivosť: Asi 50-krát lepšia ako best rádiový teleskop, ktorý máme dnes

• Rýchlosť: Môže mapovať oblohu 10 000-krát rýchlejšie

• Rozlíšenie: Môže vidieť detaily také malé ako pár tisícin stupňa

Nejde len o prelomenie rekordov. Ide o videnie vecí, ktoré sme nikdy nevideli – ako prvé hviezdy osvetľujúce vesmír, alebo slabé signály zo vzdialených galaxií.

=================================================================

AKO SKA VÍD VESMÍR? INTERFEROMETRIA VYSVETLENÁ

Toto je magický trik: SKA nefunguje ako jediný obrovský teleskop. Namiesto toho kombinuje signály zo všetkých svojich antén a antén pomocou techniky nazývanej interferometria.

Predstav si zbor, kde každý spevák je jednou anténou. Sám je jeden hlas pekný. Spolu vytvoria harmóniu, ktorú nemôžeš dosiahnuť iným spôsobom. Kombináciou signálov SKA pôsobí ako teleskop veľký ako vzdialenosť medzi svojimi najvzdialenejšími anténami – až 150 km apart. Takto dosahuje tak ostrý pohľad.

=================================================================

DÁTOVÉ HORY A SUPERPOČÍTAČE: MOZOG SKA

Počúvanie vesmíru v tomto rozsahu znamená udusiť sa v údajoch. SKA bude generovať milióny terabajtov každý deň. Na zvládnutie tohto používa superpočítač nazvaný Science Data Processor (SDP).

• Rýchlosť prenosu údajov: 8 terabytov za sekundu

• Ročný výstup: približne 710 petabajtov vedeckých údajov

• Optické vlákna: Tisíce kilometrov – dosť na obídenie Zeme dvakrát

To nie je len teleskop. Je to dátová továreň, ktorá tlačí hranice výpočtovej techniky a sieťovania.

=================================================================

ČO SKA OBJAVÍ? VEDECKÉ CIELE

SKA nie je len o stavbe niečoho veľkého. Ide o odpoveďovanie na najväčšie otázky v prírodovede.

1. EPOCHA REIÓNIZÁCIE A PRVÉ HVIEZDY

SKA-Low bude mapovať 21-cm vodíkovú čiaru z obdobia „tmavého veku" vesmíru – keď sa formovali prvé hviezdy a galaxie. Môže vidieť signály od tak skoro ako 100 miliónov rokov po Veľkom tresku (posun červeným svetlom z~27). Konečne uvidíme, ako sa vesmír osvetlil.

2. PULSAROVÉ ČASOVÉ POLIA A GRAVITAČNÉ VLNY

SKA-Mid bude hľadať a načasovať tisícky pulsarov – najpresnejšie prírodné hodiny. Sledovaním maličkých zmien v ich signáloch môžeme zistiť gravitačné vlny zo supermasyívnych párov čiernych dier, v rozsahu frekvencií, ktorý nikto iný nemôže dosiahnuť (nanoherzový režim).

3. TESTOVANIE VŠEOBECNEJ TEÓRIE RELATIVITY

Študovaním pulsarov v extrémnych systémoch – ako tí, ktorí obiehajú čierne diery – môžeme testovať Einsteinove teórie spôsobmi, ktoré boli doteraz nemožné. Mohli by sme dokonca skontrolovať „vetu bez vlasov", ktorá hovorí, že čierne diery sú jednoduché objekty definované len hmotnosťou, rotáciou a nábojom.

4. HĽADANIE MIMOZEMSKEJ INTELIGENCIE (SETI)

SKA zvýši našu citlivosť na umelé signály až 400-krát oproti predchádzajúcim prieskumom. Ak je tam niekto vonku, kto posiela rádiové správy, máme najlepšiu šancu ich počuť.

5. KOZMICKÁ MAGNETIKA

Meraním toho, ako sa rádiové vlny krútia, keď prechádzajú priestorom (Faradayova rotácia), SKA bude mapovať magnetické polia v galaxiách až do posunu červeného svetla z~2. Konečne budeme rozumieť tomu, ako magnetika tvaruje kozmos.

6. TMAVÁ ENERGIA A TMAVÁ HMOTA

Mapovaním miliónov galaxií a ich vodíka, SKA nám pomôže zistiť, čo riadi expanziu vesmíru a ako tmavá hmota tvaruje galaxie.

7. RÝCHLE RÁDIOVÉ ZÁBLESKYY A PRECHODNÉ JAVY

SKA bude chytať tisícky rýchlych rádiových zábleskov (FRB) – záhadné, milisekundové zábleskyy z hlbokého vesmíru. Nevieme, čo ich spôsobuje, ale SKA nám pomôže zistiť.

=================================================================

PREDCHODCOVIA: MeerKAT A ASKAP

SKA stojí na pleciach obrů. Dvaja svetové triedy teleskopy pripravili cestu:

• MeerKAT (Južná Afrika): 64 antény, už robia objavia o centre Mliečnej dráhy a noví pulsari. Je teraz súčasťou SKA-Mid.

• ASKAP (Austrália): 36 antén so špeciálnymi fazovanými poľami. V iba 300 hodinách zmapoval 3 milióny galaxií – ochutnávka toho, čo bude SKA robiť.

=================================================================

ČASOVÝ PLÁN, ROZPOČET A GLOBÁLNY TÍM

Budovanie SKA je marathon, nie preteky.

• 2021: Zmluva SKAO vstúpi do platnosti, čím sa vytvorí medzinárodná organizácia

• December 2022: Ceremónie začiatku v Južnej Afrike a Austrálii

• 2024: Prvý míľnik – 4 antény a 6 staníc pracujúcich spolu ako základný teleskop

• 2028: SKA1 (prvá fáza) má byť plne funkčná s takmer 500 000 m² zbernú plochou

• Rozpočet: Približne 2 miliardy eur na prvú fázu; 80 % výdavkov sa vraciaa členskej krajine prostredníctvom zmlúv

Observatórium SKA (SKAO) je riadené z Jodrell Bank v Spojenom kráľovstve. Členmi sú Južná Afrika, Austrália, Spojené kráľovstvo, Čína, Taliansko, Holandsko, Portugalsko a Švajčiarsko. Francúzsko, Španielsko a Nemecko sa čoskoro pripájajú. Viac ako 500 inžinierov a 1 000 vedcov z 20+ krajín sa podieľa.

=================================================================

SOCIÁLNO-EKONOMICKÝ VPLYV A PREČO NA NOM ZÁLEŽÍ

SKA nie je len o vede. Ide o ľudí.

• Pracovné miesta: Tisícky vytvorené, priamo aj nepriamo

• Broadband: Sieť optických vlákien zvyšuje prístup na internet v odľahlých oblastiach

• Priemysel: Zmluvy na vysokú technológiu poháňajú inovácie a rast

• Vzdelanie: Inšpiruje nové generácie vedcov a inžinierov

Približne 80 % rozpočtu na stavbu sa vracia do členskych krajín, čím sa zabezpečuje, že prínosy sú spoločné.

=================================================================

ŠPECIFIKÁCIE SKA

Porovnanie kľúčových špecifikácií SKA-Low a SKA-Mid:

SKA-LOW (Austrália) SKA-MID (Južná Afrika)

Umiestnenie Murchison Púšť Karoo

Typ Logaritmické dipóly Parabolické antény

Počet prvkov 131 072 antén 197 antén

Rozsah frekvencií 50–350 MHz 350 MHz–15,4 GHz

Maximálna vzdialenosť 74 km 150 km

Priemer jadra 1 km 2 km

Zberna plocha ~419 000 m² ~33 000 m²

Rýchlosť prenosu 8 terabytov za sekundu (spolu)

Ročný výstup ~710 petabajtov

=================================================================

ZÁVER: PREČO NA SKA ZÁLEŽÍ NÁM VŠETKÝM

Pole štvorcového kilometra je viac ako len teleskop. Je to symbol toho, čo môžeme dosiahnuť, keď pracujeme spolu, cez hranice a kultúry, aby sme odpovedali na najväčšie otázky. Je to o počúvaní – na vesmír, na seba navzájom, na neznáme.

=================================================================

ČASTO KLADENÉ OTÁZKY

Otázka: Čo robí SKA inou ako iné rádiotok?

Odpoveď: SKA je najväčší a najcitlivejší rádiotok, aký bol kedy postavený, so zbernú plochou blízko jednému štvorcovému kilometru. Je rozdelená medzi Austráliu a Južnú Afriku, s použitím dvoch typov antén na pokrytie obrovského rozsahu frekvencií. Môže mapovať oblohu 10 000-krát rýchlejšie ako súčasní teleskop.

Otázka: Aké sú hlavné vedecké ciele SKA?

Odpoveď: SKA bude študovať prvé hviezdy vesmíru, hľadať gravitačné vlny, testovať Einsteinove teórie, hľadať známky mimozemskej inteligencie, mapovať kozmickú magnetiku a skúmať tmavú hmotu a tmavú energiu. Bude tiež chytať rýchle rádiové záblesky a ďalšie kozmické prekvapenia.

Otázka: Koľko údajov SKA produkuje?

Odpoveď: SKA bude generovať približne 8 terabajtov údajov každú sekundu, čo sa sčítava na približne 710 petabajtov vedeckých údajov ročne. To je viac ako všetok internetový provoz v mnohých krajinách.

Otázka: Kto buduje a spravuje SKA?

Odpoveď: Observatórium SKA (SKAO) je medzinárodná organizácia s členmi z viac ako 20 krajín. Sídlo je v Jodrell Bank v Spojenom kráľovstve. Projekt zahŕňa viac ako 500 inžinierov a 1 000 vedcov po celom svete.

Otázka: Kedy bude SKA plne funkčná?

Odpoveď: Stavba sa začala v roku 2021, pričom sa očakáva, že prvá fáza (SKA1) bude plne funkčná okolo roku 2028.

=================================================================

ZDROJE

- SKA Observatory - Oficiálna webová stránka

- Nature News - SKA Milestones

- BBC Science - SKA Teleskop

- Scientific American - The Square Kilometer Array