Jak robią to astronomowie?

W styczniu tego roku świętowaliśmy 400. rocznice urodzin Jana Heweliusza (28.01.1611 – 28.01.1687), a że był on wytrawnym obserwatorem, przeto wypada nieco na temat metod obserwacji astronomicznych napisać, bo domena tych badań – Wszechświat – jest jakże często tłem dla opowieści w gatunku promowanym przez tę witrynę internetową. Żeby jednak dodatkowo podkreślić fakt, iż rok 2011 jest rokiem Heweliusza, dodam, że ten gdański astronom zasłynął wieloma talentami, a wśród nich smykałką do biznesu. Zajmował się inną, bardzo bliską sercom fanów s-f, profesją – był browarnikiem, właścicielem kilku browarów w Gdańsku.

Niebo intrygowało swą tajemniczością od zawsze. Dostarczało powodów do wzruszeń i rozmyślań nad Światem, sensem życia i takich tam, co z pewnością było kiedyś udziałem każdego z Was. Dlatego też prze długie wieki starano się niebo badać i jego tajemniczość rozwikłać i zrozumieć. Używano tylko oczu, wzbogaconych o jakieś narzędzia pomiarowe typu mniej lub bardziej skomplikowanego kątomierza. Podzielono sferę niebieska na obszary, zwane gwiazdozbiorami (podział ostateczny dokonany został w 1926 roku podczas Zjazdu Międzynarodowej Unii Astronomicznej) i zauważono, że niektóre gwiazdy poruszają się w dziany sposób na tle całej reszty (stad ich nazwa gwiazdy błądzące albo wędrujące – gr. planet). Zauważono roczny ruch Słońca na tle gwiazdozbiorów zodiakalnych i pewne kwestie związane ze zmiennością i ruchem Księżyca. No i wymyślano, co to może oznaczać. Nie wdając się w dyskusje na temat geocentryzmu, przeskoczmy od razu do Mikołaja Kopernika (19.02.1473 – 24.05.1543), który lata obserwacji zwieńczył swym traktatem „O obrotach", gdzie nakreślił heliocentryczny model Układu Słonecznego. Dokonał w ten sposób rewolucji w myśleniu i pojmowaniu kształtu otaczającej nas rzeczywistości. Wspiął się (co bliskie s-f) na wyżyny wyobraźni i zainspirował innych.

Jednak jakiś czas później miała miejsce inna rewolucja. W 1609 roku Galileo Galilei (15.02.1564 – 8.01.1642) skierował w niebo skonstruowany przez siebie teleskop (Galileusz nie wynalazł tego przyrządu, dokonali tego niezależnie trzej optycy: Hans Lipperhey, Zacharias Janssen (obydwaj byli wytwórcami okularów) oraz Jacob Adriaanszoon). Galileusz dostrzegł rzeczy niezwykłe. Plamy na Słońcu i góry na Księżycu, mrowie gwiazd niedostępnych bez teleskopu i księżyce obiegające Jowisza tak, jak planety obiegają Słońce. Wkrótce teleskop stał się podstawowym narzędziem astronoma.

I tu mała dygresja. Luneta Galileusza, wykorzystywała jako obiektyw soczewkę skupiającą. Soczewka zaś działa na zasadzie takiej, że światło przez nią przechodzące ulega ugięciu (refrakcji), stąd ogólna nazwa takich przyrządów – refraktory. Jednakże takie przyrządy nie pozbawione są wad. Aby nie wchodzić zbyt głęboko w optykę, napiszę tylko, że z wadami tymi walczono. Dla przykładu, wspomniany Heweliusz budował lunety z obiektywami o bardzo długiej ogniskowej. Jego rekordowa luneta mierzyła aż 39 metrów!

Oczywiście konstrukcje refraktorów rozwijano, aż do początku 20 wieku, jednak już w 17 wieku dokonano przełomu w konstrukcji teleskopów. Izaak Newton (4.01.1643 – 31.03.1727) zauważył bowiem, że zwierciadło wklęsłe działa bardzo podobnie jak soczewka skupiająca, a na dodatek pozbawione jest wspomnianych wyżej wad. W ten sposób narodził się teleskop zwierciadlany, działający na zasadzie odbicia (refleksji) światła w obiektywie, zwany także reflektorem.

Skuteczność przyrządu astronomicznego określają dwa parametry: czułość i zdolność rozdzielcza. Pierwszy zależy od powierzchni całkowitej i co jest zrozumiale – im większa powierzchnia tym więcej złapiemy światła i tym słabsze obiekty dostrzeżemy. Namiastką tego jest akomodacja oka, które w ciemności rozszerza się (oczywiście nie całe oko, tylko źrenica), co pozwala widzieć lepiej. Drugi z parametrów, zwany zdolnością rozdzielczą, zależy od średnicy obiektywu. Im ta będzie większa tym więcej szczegółów dostrzeżemy.

Dwa wymienione wyżej parametry sprawiły, że budowano coraz większe teleskopy. A prawdziwy przełom zaczął się gdy na Mount Willson powstał w 1917 roku teleskop o średnicy 2.54 metra, przy pomocy którego Edwin Hubble (20.11.1889 – 28.09.1953) odkrył, jakie rzeczywiście dzielą nas dystanse od innych galaktyk oraz fakt, że Wszechświat rozszerza się. Jakiś czas później, bo w roku 1948 oddano do użytku kolosa o średnicy zwierciadła równej 200 calom, czyli 508 centymetrom. Ten teleskop przez kolejnych blisko 40 lat był największym, jaki zbudowano.

A czy astronomowie nadal patrzyli w okular i podglądali w ten sposób niebo? Oczywiście na początku każdy astronom był też świetnym rysownikiem i utrwalał na papierze to co widział przez teleskop. Gdy zaczęła się era fotografii, bardzo szybko wynalazek ten został zaadaptowany przez obserwatorów nieba, a od początku lat 70tych ubiegłego wieku powszechne stało się używanie technik cyfrowych, które dziś każdy stosuje w aparatach fotograficznych. W tym momencie warto sobie uzmysłowić, że ów wynalazek na początku stosowany był tylko przez astronomów do utrwalania obrazów Kosmosu. Tak tez jest do dziś i to właśnie astronomowie przodują w 'liczbie pikseli', bo używane przy wielkich teleskopach kamery posiadają ich setki mega, a nawet do kilku giga.

Dla astronomów optycznych istotnym problemem zawsze była atmosfera i nie chodzi tylko o chmury, bo to za jej przyczyną gwiazdy migoczą i przy długiej ekspozycji obraz nie jest punktem, a plamką. Z tego też powodu wysłano na orbitę teleskop nazwany imieniem wspomnianego już Edwina Hubble'a, który mimo skromnych rozmiarów (2.4 metra) był znakomitym narzędziem z racji umiejscowienia. Jednak technika idzie do przodu i wymyślono jak atmosferę oszukać. Wprowadzono systemy optyki aktywnej, w których setki siłowników dostosowują kształt zwierciadła do aktualnych warunków badanych laserowym znacznikiem. Dzięki temu możliwe stało się zbudowanie wiele teleskopów o rozmiarach zwierciadeł w okolicach 10 metrów średnicy, a planowane są giganty 30 i 40 metrowe. Na orbitę wysłano teleskop Herschel o średnicy 3.5 metra, a na wysłanie czeka Webb o średnicy 6.5 metra.

Wszystko byłoby proste i przyjemne, gdyby nie fakt, że William Herschel (15.11.1738 – 25.08.1822), ten od wymienionego przed momentem teleskopu kosmicznego, niezrównany konstruktor refraktorów zresztą, odkrył w 1800 roku promieniowanie poza czerwona częścią zakresu widma światła, które nazwał podczerwienią. Rok później znano już ultrafiolet. W 1864 James Maxwell (13.06.1831 – 5.11.1879) dokonał unifikacji magnetyzmu i elektryczności, co zaowocowało odkryciem fal radiowych przez Heinricha Hertza (22.02.1857 – 1.01.1894) w roku 1888. Na przełomie 19 i 20 wieku odkryto także istnienie promieniowania gamma i X (za to odkrycie przyznano w 1901 roku 1 Nagrodę Nobla Wilhelmowi Roentgenowi (27.03.1845 – 10.02.1923).

Tak więc istniała teoria fal elektromagnetycznych, istniała też fizyka kwantowa, wskazująca, że różne długości fal promieniowania to w istocie różne energie fotonów ale nie było do końca jasne, czy inne oprócz światła promieniowanie dociera do nas z kosmosu.

Przełom miała miejsce w roku 1933, kiedy to Karl Jansky (22.10.1905 – 14.02.1950) przypadkowo odkrył promieniowanie radiowe Drogi Mlecznej. Narodziła się radioastronomia, dla której motorem napędowym paradoksalnie była 2 wojna światowa. Wojna, jak wie chyba każdy, oprócz negatywnych stron, ma też plusy, które niestety często przesłaniane są przez minusy. Dużym plusem był rozwój technik radarowych, a więc technologii związanych z nadawanie i odbieraniem fal radiowych. Po wojnie wielu specjalistów w tej dziedzinie przysłużyło się rozwojowi radioastronomii, która wiąże się z detekcją fal radiowych docierających do nas z Kosmosu. Budowano (i nadal buduje się) coraz doskonalsze anteny, a dzięki pracom sir Martina Ryle'a (27.09.1918 – 14.10.1984) radioastronomowie mają do dyspozycji technikę syntezy apertury pozwalające łączyć radioteleskopy w wielkie interferometry i symulować instrumenty większe nawet niż cały ziemski glob.

Tu potrzebna jest kolejna dygresja. Po pierwsze, dlaczego radioteleskopy są takie wielkie? Oczywiście winne są parametry wcześniej już wspomniane, czułość i zdolność rozdzielcza. Na ten drugi, oprócz wielkości przyrządu, wpływ ma też długości obserwowanej fali. Im dłuższa fala tym średnica zwierciadła musi być większa, by zachować wartość zdolności rozdzielczej. Fale radiowe to milimetry do nawet kilometrów (światło to setki nanometrów), więc by uzyskać zdolności rozdzielcze porównywalne z największymi teleskopami optycznymi, potrzebne są interferometry o rozmiarach krajów czy kontynentów. Trzeba sobie tez uświadomić kwestie czułości. Radiowe sygnały generowane w naturalnych zjawiskach fizycznych w Kosmosie docierają do nas w minimalnej ilości. Nawet najsilniejsze radioźródła sa nikłe w porównaniu z falami radiowymi generowanymi sztucznie na ziemi. Przykład nr 1: telefon komórkowy na powierzchni Księżyca byłby dla radioteleskopów tysiące razy jaśniejszy niż najjaśniejsze, naturalne źródła fal radiowych. Przykład 2: wszystkie radioteleskopy na ziemi zebrały dotąd, w postaci fal radiowych, energię mniejsza niż ta, którą zużywamy do zagotowania szklanki wody.

No i kwestia kolejna, dosyć ważna: jak radioteleskop działa i co przez niego widać, skoro ludzie nie zostali wyposażeni w naturę w zmysły do odbierania fal radiowych?

Pierwsza sprawą, jaka musimy sobie uzmysłowić jest fakt, że radioteleskopy, jakie widzimy w filmach (polecam „Kontakt") czy na zdjęciach (albo na żywo), te ważące setki czy tysiące ton konstrukcje podobne do gigantycznej anteny TV Sat, to tylko układy optyczne, mające za zadanie skupić w jednym miejscu (zwanym ogniskiem) energię fal radiowych, docierających z precyzyjnie wybranego obszaru na niebie. Skupione fale trafiają zaś na taki malutki, centymetrowej długości drucik, w którym zaindukowany zostaje w ten sposób niewielki prąd elektryczny. Dalej jest już elektronika mikrofalowa – chłodzone helem przedwzmacniacze, wzmacniacze, miksery i już... Prawie jak w radio, TV czy telefonie komórkowym, wyłuskiwana jest z takiego sygnału informacja, a wszelkie jej wizualizacje to już sprawa odpowiedniej analizy sygnału.

No dobrze, załatwiliśmy sprawę optycznych i radiowych obserwacji. A jak wygląda sprawa innych części widma fal elektromagnetycznych? Niewesoło i szczęśliwie zarazem. Wszystko przez atmosferę, która zdecydowanie pochłania docierające do nas z Kosmosu promieniowanie X, gamma, większość UV i IR. O kwestiach szczęścia związanego z takim filtrującym działaniem atmosfery nie musze chyba pisać fanom s-f.

Jednak korci nas, by podglądać Wszechświat także w tych, z pozoru niedostępnych, zakresach widma fal elektromagnetycznych. A skoro promieniowanie nie chce dotrzeć do powierzchni Ziemi, to trzeba wyjść mu naprzeciw. No i takie podejście skutkuje faktem, że na orbicie krąży wiele obserwatoriów, zbyt wiele, by pisać o nich w rozsądnie niewielkiej ilości zdań.

Ale zapędziłem się w tych rozważaniach technicznych, a wciąż nie odpowiedziałem na pytanie zawarte w tytule. Kiedyś astronom, jak dla przykładu Heweliusz, sam budował sobie teleskop, sam obserwował, sam analizował dane i wreszcie sam wydawał swoje wyniki. A teraz?

Przeciętny współczesny teleskop to koszt wielu milionów euro, a te największe to już setki milionów czy wręcz miliardy (na budowę najdoskonalszego radiowego interferometru SKA wydano już pół miliarda dolarów, a nadal nie wiadomo, gdzie zostanie zbudowany – w Afryce czy Australii). Teleskopy nie są lokowane w przypadkowych miejscach, bo nikt nie wyda sto milionów na budowę teleskopu optycznego pod Olsztynem, skoro później przez 250 nocy stałby bezużyteczny. Takie kolosy stawia się w miejscach odludnych, suchych i jak najwyżej, a więc daleko zewsząd. Kwestia druga. Jak coś jest takie drogie i wyrafinowane, to nikt nie dopuści do takiego sprzętu jakiegoś tam doktora Nowaka* z Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, bo niechybnie by coś zepsuł (o ile dostałby pieniądze na podróż). Dlatego potrzebny jest personel techniczny, zajmujący się nie tylko dbaniem o sprzęt ale także wykonywaniem obserwacji. Co zatem robi astronom? Składa proposal obserwacyjny z uzasadnieniem, dokładnym planem i lista potrzeb, a tzw.„komisja naukowa przyrządu" to rozpatruje (na największe instrumenty takich proposali jest więcej niż dostępnego czasu) i jak jest dobry, z perspektywą na znaczący wynik, kierowany jest do realizacji. Wspomniany doktor Nowak dostaje na swój e-mail wszelkie informacje i poprzez Internet zabiera wyniki obserwacji w postaci cyfrowej i zaczyna zabawę w Naukę.

Nic z romantyzmu. Chociaż, jeśli doktor Nowak chce dać upust swoim młodzieńczym wizjom astronomii, to kupuje sobie niewielki teleskop i w pogodne wieczory gapi się w starodawny sposób na Plejady, M31 czy Galisaty.

* Doktor Nowak jest postacią fikcyjną ;)