Jak teleskopy radiowe wykrywają sygnały z głębin kosmosu

Teleskopy radiowe nie wyglądają jak teleskopy optyczne, ale działają na tej samej podstawowej zasadzie: zbierają światło, skupiają je i analizują. Różnica polega na długości fali. Według Narodowego Obserwatorium Radioastronomii USA (NRAO), teleskopy radiowe obserwują długości fal mniej więcej od 1 milimetra do 10 metrów, znacznie dłuższe niż kilkaset nanometrów światła widzialnego, dlatego ich «soczewkami» są metalowe anteny paraboliczne, a nie szkło.

Zamienianie słabego szeptu w użyteczne dane

NRAO opisuje kosmiczne sygnały radiowe jako zadziwiająco słabe, zauważając, że pojedynczy sygnał telefonu komórkowego niesie mniej więcej miliard miliardów razy więcej energii niż słabe kosmiczne fale radiowe, które teleskopy te są przeznaczone do wykrywania. Aby cokolwiek pożytecznego złapać, teleskop radiowy potrzebuje dużej powierzchni zbierającej i czułej elektroniki.

• Antena paraboliczna, której zakrzywiony kształt odbija przychodzące fale radiowe do jednego punktu ogniskowego powyżej niej
• Róg zasilający w tym punkcie ogniskowania, metalowy lejek dostosowany do obserwowanej długości fali, który kieruje fale do odbiornika
• Odbiornik, często chłodzony do bardzo niskich temperatur, który wykrywa sygnał i przekazuje go dalej
• Wzmacniacz, który wzmacnia sygnał przed jego zarejestrowaniem do analizy

Łączenie teleskopów razem: interferometria

Jednak pojedyncza antena, bez względu na wielkość, nie może dorównać szczegółom, które może osiągnąć teleskop optyczny. NRAO wyjaśnia, że radioastronomowie rozwiązują to za pomocą interferometrii: wskazywanie kilku anten na ten sam obiekt i używanie superkomputera zwanego korelatorom do kombinowania ich sygnałów tak, jakby pochodziły z jednego gigantycznego teleskopu. Ponieważ ten sam sygnał kosmiczny dociera do każdej anteny w nieco inny moment, wynikające z tego różnice czasowe pozwalają astronomom zrekonstruować znacznie więcej szczegółów niż pojedyncza antena mogłaby samodzielnie uchwycić. NRAO zauważa, że korrelatory mogą działać z prędkością femtosekundową, wykonując do 16 biliardów operacji na sekundę, a jego Very Long Baseline Array rozprzestrzenia anteny na całych kontynentach, zsynchronizowane przez wodorowe zegary atomowe dokładne do kilku miliardowych części sekundy.

Tworzenie obrazu czarnej dziury teleskopem wielkości Ziemi

Najjaśniejszą demonstracją tej techniki jest Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Według NRAO, łączy on osiem naziemnych teleskopów radiowych rozsianych po całym świecie, które obserwowały razem podczas kampanii w 2017 roku, używając interferometrii z bardzo długą linią bazową, dzięki czemu działały jako jeden instrument o wielkości mniej więcej Ziemi. Każdy teleskop zapisywał około 350 terabajtów danych dziennie; nagrania zostały później przesłane do wyspecjalizowanych korelatorów w Instytucie Radioastronomii Maxa Plancka i Obserwatorium Haystack MIT, aby je połączyć.

Celem była supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki M87. Jej horyzont zdarzeń obejmuje około 40 miliardów kilometrów, jednak z Ziemi wynikający jasny pierścień wokół jej cienia mierzył zaledwie około 40 mikrosekund łuku w poprzek — skalę, którą NRAO porównuje do «mierzenia długości karty kredytowej na powierzchni Księżyca». Połączone dane dały pierwszy w historii obraz cienia czarnej dziury.

Łapanie błyskawicznych błysków z głębin wszechświata

Nie wszystkie teleskopy radiowe opierają się na antenie parabolicznej. CHIME, Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment na Dominion Radio Astrophysical Observatory w Kolumbii Brytyjskiej, używa czterech stałych reflektorów cylindrycznych w kształcie półrury bez ruchomych części, według MIT Physics. Zamiast kierującego sprzętu, jego korelatorem przetwarza około 7 terabitów danych na sekundę, aby cyfrowo rekonstruować sygnały przychodzące z tysięcy kierunków na niebie jednocześnie.

Ten projekt sprawił, że CHIME był niezwykle skuteczny w łapaniu szybkich wybuchów radiowych (FRB), trwających milisekundy błysków energii radiowej z głębin kosmosu. W pierwszym roku funkcjonowania, 2018–2019, CHIME wykryła 535 nowych FRB, prawie czterokrotnie przekraczając około 140 wybuchów znanych na całym świecie do tego momentu, zgłosiła MIT Physics. Zbiór obejmował 18 źródeł, które wybuchały powtarzalnie, wzór, który sugeruje, że powtarzające się i jednorazowe FRB mogą wynikać z różnych mechanizmów astrofizycznych.

Największa antena na świecie i co dalej

Chińska Pięćsetmetrowa Sferyczna Antena Radioteleskopowa (FAST), zbudowana w naturalnej dolinie w prowincji Guizhou, ma antenę o średnicy 500 metrów zrobioną z około 4400 regulowanych paneli aluminiowych, dającą efektywną aperturę około 300 metrów w dowolnym momencie, według EarthSky. Obserwuje długości fal od 10 centymetrów do 4,3 metra i ma około dwa razy większą powierzchnię zbierającą niż antenna 305-metrowa Arecibo, którą przewyższył rozmiarami. FAST stał się w pełni funkcjonalny w styczniu 2020 roku i zaczął przydzielać około 10% czasu obserwacji badaczom międzynarodowym w sierpniu 2021 roku.

Ta czułość przełożyła się na rekordową liczbę pulsarów — szybko rotujących gwiazd neutronowych, które wysyłają wiązki fal radiowych minęły Ziemię jak latarnia morska. Od października 2025 roku FAST zidentyfikowała 1152 pulsarów, więcej niż łączna liczba znaleziona przez inne teleskopy na całym świecie w tym samym okresie, zgłosiła chińska nadawca państwowa CGTN.

Następny skok w skali jest już w budowie. Obserwatorium SKA buduje dwie komplementarne sieci, zgodnie z własnym opisem projektu: SKA-Low w Zachodniej Australii z 131072 antenami rozlokowanymi na maksymalnej linii bazowej 74 kilometrów i SKA-Mid w Południowej Afryce z 197 antenami parabolicznych obejmującymi maksymalną linię bazową 150 kilometrów. Razem dwa obiekty mają umożliwić astronomom badanie struktury galaktyk, środowiska wokół czarnych dziur i fal grawitacyjnych bardziej szczegółowo niż pozwalają na to istniejące urządzenia.