ALMA: teleskop nie z tej ziemi

Pewnego majowego ranka dwa pikapy przejechały przez ciche miasto San Pedro na pustyni Atakama w Chile i pylistą drogą pomknęły w góry. Był rok 1994, a pięciu mężczyzn miało przed sobą trudne zadanie: znaleźć najwyższe, najbardziej suche i płaskie miejsce na naszej planecie. Spędzili już półtora miesiąca, sprawdzając różne lokalizacje na Atakamie. Teraz kierowali się mapą uzyskaną od chilijskiego wojska przez jednego z mężczyzn, chilijskiego astronoma Hernána Quintanę, i szukali drogi do płaskowyżu Chajnantor – na wysokości 5000 m. Andy tworzą barierę dla chmur zbierających się nad Amazonką na wschodzie, a wiatry wiejące na Pacyfiku z zachodu, przelatując nad zimnym Prądem Peruwiańskim, gromadzą niewiele wilgoci. Dlatego Atakama jest jednym z najbardziej suchych miejsc na Ziemi, a średnie opady deszczu są tam na poziomie 1,5 cm rocznie. Fakt, że pustynia jest miejscem bardzo odosobnionym, a jej niegościnne, suche i rzadkie powietrze jest idealne do obserwacji nocnego nieba, przyciągnął już kilka dużych międzynarodowych programów teleskopowych. Były one głównie tworzone, aby obserwować części kosmosu widoczne w widzialnych długościach fali – w tej części widma światła, którą rejestruje ludzkie oko. Quintana i jego towarzysze szukali lokalizacji dla innego rodzaju teleskopu – urządzenia mogącego penetrować zasłony z pyłu i gazu, które wypełniają galaktyki, wirują wokół gwiazd i rozciągają się w przestrzeni międzygwiezdnej.

fot. Dave Yoder

Zimny wszechświat
Obiekty we wszechświecie wypromieniowują energię o różnych długościach fali, w zależności od tego, jak bardzo dany obiekt jest gorący lub zimny. Na przykład wybuchające supernowe są niezmiernie gorące. Poza światłem widzialnym, odpowiadającym światłu miliardów Słońc, emitują krótkofalowe promieniowanie rentgenowskie o wysokiej energii oraz promieniowanie gamma, wykrywane przez specjalistyczne teleskopy, takie jak teleskop kosmiczny Chandra należący do NASA. Na drugim, zimniejszym krańcu widma znajdują się komety i asteroidy, które wysyłają promieniowanie podczerwone dłuższe niż mogą zobaczyć nasze oczy i nasze teleskopy optyczne. Duża część wszechświata jest jeszcze zimniejsza. Chmury pyłu i gazu, z których zbudowane są gwiazdy, mają temperaturę tylko nieznacznie wyższą od zera absolutnego – temperatury, w której wszystkie atomy przestają się poruszać. Narodziny planety zachodzą w podobnych okolicznościach, a zawiązkami planet są fragmenty pyłu i gazu zbijające się ze sobą w wirującej mgle, która obraca się wokół nowo narodzonych gwiazd. W latach 60. XX w. astronomowie próbowali zbadać ten „zimny wszechświat”. I szybko zdali sobie sprawę, jak wielkim wyzwaniem było wykorzystanie naziemnych anten do wykrywania fal o długościach w zakresie milimetrowym i submilimetrowym. Pierwszym problemem był sposób poradzenia sobie z ogromem statyki. W przeciwieństwie do światła widzialnego przenikającego przez atmosferę naszej planety bez większych zakłóceń, fale w zakresie milimetrowym i submilimetrowym są absorbowane i zaburzane przez parę wodną. Emituje ona promieniowanie w tym samym zakresie widma, dodając do fal przybywających z nieba ziemski szum. Fale w milimetrowym i submilimetrowym zakresie długości niosą ze sobą także mniej energii niż światło widzialne, co przekłada się na słaby sygnał, nawet w antenie radiowej o ogromnej powierzchni jego zbierania. Naukowcy wpadli na pomysł, aby stworzyć sieć kilku anten w miejscu, gdzie będzie bardzo suche powietrze, i połączyć ich sygnały tak, aby pracowały razem jako jeden teleskop. Do początku lat 80. kilka niewielkich macierzy antenowych działało we Francji, w Japonii i USA. Niedługo potem postęp technologiczny sprawił, że można było zaprojektować o wiele większą sieć radiową, ogromną soczewkę o radykalnie wyższej rozdzielczości – gdyby udało się znaleźć miejsce wystarczająco wysokie i płaskie, aby zwiększyć odstęp pomiędzy antenami do rzędu kilometrów. W poszukiwaniu idealnej lokalizacji dla takiego teleskopu grupy badawcze z Europy, Japonii i USA skupiły się na pustyni Atakama.

Wkrótce stało się jasne dla wszystkich trzech międzynarodowych zespołów, że łącząc siły, mogliby stworzyć jedną macierz antenową o wiele silniejszą niż każdy z nich byłby w stanie zbudować sam. W 1999 r. uzgodniono, że każda strona dostarczy 32 anteny o średnicy 12 m. Potem przeprojektowano prototypowe anteny, a ich liczbę zmniejszono do 25 od każdej agencji.

Fot. Dave Yoder
Pierwsza z anten, o masie prawie stu ton, przybyła z USA do chilijskiego portu Antofagasta w kwietniu 2007 r. W eskorcie wozów policyjnych ciężarówka zawiozła ogromny talerz w góry, a jej podróż tylko czasem zakłócały stada lam. Przez kolejnych pięć lat anten przybywało. Ustawienie ich tak, by pracowały razem jako jeden teleskop, wymagało niesłychanej precyzji. Musiały obracać się jednocześnie i kierować na ten sam cel na niebie w odstępach półtorej sekundy. Aby połączyć sygnały, na miejscu trzeba było zainstalować ogromny superkomputer.

Podglądanie planet w kołysce
W świetle kwietniowego poranka olbrzymia połać płaskowyżu w kolorze brązowym upstrzona jest białymi 12-metrowymi antenami, które wydają się maleńkie na tle bezkresnego, lazurowego nieba. Na jedno kliknięcie anteny z gracją jednocześnie przemieszczają swój olbrzymi ciężar. Dwa 28-kołowe transportery stoją w gotowości, aby przesunąć anteny do nowych lokalizacji w obrębie płaskowyżu, jeśli będzie to konieczne. Już przed oficjalną inauguracją w marcu 2013 r. teleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) zaczął dostarczać danych. Rok wcześniej, gdy pracowało tylko 16 anten, badacze pod kierownictwem Joaquina Vieiry z Caltech obserwowali 26 odległych galaktyk, w których dochodziło do wybuchów związanych z tworzeniem gwiazd. Byli zaskoczeni, gdy okazało się, że galaktyki znajdują się średnio w odległości aż 11,7 mld lat świetlnych, co oznaczało, że „produkcja” gwiazd trwała już wtedy, gdy wszechświat miał ledwie 2 mld lat. Wcześniej sądzono, że tak częste i szybkie narodziny gwiazd rozpoczęły się co najmniej miliard lat później. Od czasu inauguracji teleskopu ALMA stale dokonywane są nowe odkrycia. W lipcu 2013 r. astronomowie donieśli, że obserwacje prowadzone za pomocą teleskopu pomogły rozwiązać zagadkę, dlaczego masywne galaktyki są tak rzadkie we wszechświecie. Obrazy pobliskiej galaktyki Rzeźbiarza wykonane przez teleskop ALMA pokazały zimny, gęsty gaz wypływający w kłębach z centrum dysku galaktyki. Astronomowie stwierdzili, że gaz jest wyrzucany przez wiatry z nowo powstałych gwiazd. Tak tracona jest duża ilość gwiazdotwórczego materiału, co może utrudniać przyszły wzrost galaktyki. Jeśli zjawisko to zostanie potwierdzone dla innych galaktyk, tajemnica może zostać rozwiązana. Zgodnie z założeniami ALMA pomaga także zrozumieć, w jaki sposób rodzą się nowe planety. W zeszłym roku badacze donieśli o obrazach przedstawiających dysk pyłu otaczający nową gwiazdę – kołyskę planet. Obrazy ujawniły coś, co okazało się być pułapką na pył w obrębie dysku: chroniony obszar, gdzie małe ziarenka pyłu mogą łączyć się ze sobą i ziarnko po ziarnku rosnąć, aż staną się zawiązkiem nowej planety. To było pierwsze w historii wejrzenie w początek procesu tworzenia planety. Te obserwacje to dopiero wstęp. Gdy wszystkie anteny zostaną w tym roku uruchomione, na pustynnym płaskowyżu nasze oczy otworzą się na niewidziany dotąd wszechświat.