Kilometrové pole SKA v Chile

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Pod evropskou patronací funguje řada obřích vědeckých projektů i přístrojů, jejichž nejznámějším představitelem je urychlovač částic LHC, který se nachází v podzemním tunelu v evropském centru jaderného výzkumu Cern na pomezí Švýcarska a Francie.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Na chilské hoře Cerro Armazones budují vědci evropský extrémně velký dalekohled s primárním zrcadlem o průměru více než 39 metrů. Pracuje se také na projektu vesmírného interferometru Elisa s rameny o délce milion kilometrů.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
V letošním roce byla zahájena výstavba radioteleskopického pole SKA. Přístroje skutečně gigantických rozměrů, jaký nemá v historii vědy obdoby.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Bude stát hodně peněz, bude se stavět dlouho, ale provázejí ho velká očekávání.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Planetáriem vás i nadále provázejí Frederik Velinský.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
A Veronika Kindlová.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Jak bude vypadat a k čemu bude sloužit kilometrové pole SKA. O tom jsem si povídal z astrofyzikem Petrem Kulhánkem, odborným pracovníkem hvězdárny a planetária hlavního města a Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Nejprve bylo nutné rozkrýt význam oné zkratky v názvu.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Ta zkratka je z angličtiny Square Kilometr Array, což je pole radioteleskopu, které bude mít celkovou sběrnou plochu jeden kilometr čtvereční a dokonce ta pole budou dvě. Jedno bude v Austrálii a druhé v jižní Africe.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Na jak velkém území se má stavět tady to polo. A jaké budou základní parametry, až bude ten přístroj hotový.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
To pole bude opravdu obrovské. Bude mít centrální část, která bude mít průměr zhruba 10 kilometrů. V té centrální části bude 50 procent sběrné plochy, z té centrální části budou vybíhat jednotlivé stanice další po spirálách. Celkem tam bude pět spirál. A konec ramene každé té spirály bude 3 tisíce kilometrů od toho centra, což znamená, že vlastně na průměr to pole bude mít nějakých 6 tisíc kilometrů, tudíž se to nemůže ani vejít na území jednoho státu. Jedna stanice se bude stavět v západní Austrálii a ty poslední stanice, které budou v tomto poli už budou na novém Zélandu. Ta druhá stanice se bude stavět v jižní Africe a ty poslední stanice budou v Namibii, v Zambii, na Madagaskaru, čili je to obrovský projekt vlastně přes celý kontinent.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Bude to taková velmi komplikovaná síť antén. Jak budou ty antény v těch jednotlivých oblastech rozmístěny? A bude to víc typu antén?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Budou to celkem 4 typy antén, první základní, to jsou ty klasické mísy, jak je všichni známe, ty budou mít průměr 12 metrů na výšku 15 metrů. A bude jich mnoho tisíc. Pro nižší frekvence tady budou dipólové antény, řídce rozmístěné na dané ploše. A ten třetí typ antén, to jsou taková kompaktní pole, vypadá to jako taková placatá čočka, ve které je velké množství radiometrů, jsou to antény pro střední frekvence a průměr té čočky bude zhruba 30 metrů. Tydlety tři typy antén se vlastně budou opakovat. V té centrální části jich bude zastoupeno velké množství potom na těch spirálách tam bude vždycky jenom jedno to řídké pole, jedno to husté pole a pár těch klasických mísovitých antén.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Proč se budou používat tři typy těch antén?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Je to dáno tím, že žádná z antén neobsáhne všechny frekvence. Ty základní mísy jsou vhodné od 350 megahertzů do 14 gigahertzů, ale důležité je mít i ty frekvence nízké pokryté, což zajišťují ty další typy antén, které tady jsou, ty dipólové antény a potom střední pole frekvencí, to jsou ty čočky, jak jsem říkal, husté pole radiometrů.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Celosvětové ředitelství projektu sídlí na observatoři Godral bank u Manchesteru ve Velké Británii. Kromě Jihoafrické republiky, Austrálie a Nového Zélandu se na něm podílí Indie, řada evropských zemí a předběžně s ním koketují i Číňané.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Důležité je, že v Austrálii ani Africe se nestaví na zelené louce. Na obou místech už něco málo stojí, říká astrofyzik Petr Kulhánek.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Vezměme nejprve tu australskou část. Tam stojí radioteleskopické pole, které má zkratku ASPAP Australian Square Kilometr Array Pathfinder, to slovo Pathfinder znamená vlastně jakýsi hledač cesty. Je tam rozmístěný 36 antén a na tyto antény budou navazovat další antény, čili todlecto původní pole bude základem toho nového SKA pole. A v té africké části, tam byl postaven nejprve KAT, což je Karoo Array Telescope. Karoo, to je název té oblasti v jižní Africe, Array Telescope je pole radioteleskopů. A tam bylo původně 7 antén. A cíl byl to rozšířit na větší počet. Hovořilo se o 64 anténách a ten projekt toho prvotního rozšíření se nazval MeerKAT, což je taková slovní hříčka, protože k tomu KAT, k té zkratce přidali písmenka Meer a dohromady to v angličtině tvoří slovo MeerKAT, což znamená surikata a to jsou malá zvířátka, která v té oblasti žijí. Toto pole MeerKAT právě v těchto chvílích, v červenci 2018 je zprovozňováno.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
To znamená, že ta stavba de facto už začala. V jakých etapách by měla probíhat a kdy se dají čekat nějaké první snímky?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Tak etapy jsou naplánovány celkem tři. První etapa je v letech 2018 až 2023. Je to etapa, která by měla stát zhruba 2 miliardy euro, což není úplně malá částka, ale ten projekt je skutečně obrovský. Roku 2020 by mělo být rozmístěno v Austrálii prvních 500 antén. A v Africe prvních 200 antén. Pak bude následovat druhá etapa, od roku 2023 do roku 2030, kdy by měla být komplet hotová část pro nízké a střední frekvence. A ta nejobtížnější část, pro ty vysoké frekvence, která je pro krátké vlny a tam je třeba veliké pečlivosti nastavení těch jednotlivých prvků, tak ta se bude dodělávat po roku 2030 a pak bude to pole teprve kompletní.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
A ty první snímky můžou přijít už dřív, nebo až to bude všechno hotové?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Ne, ne, ne, ty první snímky budou přicházet průběžně, samozřejmě parametry toho pole s počtem antén se budou zlepšovat, čili ty první snímky můžeme očekávat kolem roku 2020 zhruba za 2 až 3 roky. Celkově tedy, ono slovo snímek není úplně správné, protože jsou to radioteleskopy, které scanují oblohu, tam se vytváří záznam intenzity, který přichází z jednotlivých zdrojů a ten záznam intenzity z různých frekvencí se potom převádí na takzvané nepravé barvy a z toho se skládají ty snímky, které potom ocení veřejnost, které jsou barevné a krásné. Ale ta skutečná vědecká data, to je vlastně jenom záznam intenzity na jednotlivých frekvencích.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Díky čemu vlastně funguje radioteleskopie?

Frederik VELINSKÝ, moderátor
A kde dnes stojí největší přístroje světa? Ať už se jedná o jednotlivé talíře, či mísy a nebo rovnou celá pole, složená z většího počtu menších zpřažených radioteleskopů.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Stále hovoří astrofyzik Petr Kulhánek.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Radioteleskopy fungují díky tomu, že zemská atmosféra je propustná ve dvou oblastech spektra. První oblast je viditelné záření, to všichni samozřejmě víme a vnímáme a to jsou ty klasické dalekohledy. Druhá oblast je oblast radiových vln a mikrovln. Proto se staví vlastně radioteleskopy, které jsou schopny přijímat ten signál z vesmíru. První anténu dnešního typu sestavil Grote Reber, kolem roku 1935 a od té doby teda dominovaly ty mísy, které buďto jsou pohyblivé, jednou z největších pohyblivých antén nebo vůbec největší je v /nesrozumitelné/ která má na průměr 105 metrů. Ono to není kruhové, v jednom směru je 100 metrů průměr, v druhém směru 105 metrů. Potom co se týče těch nepohyblivých mís, vyplňují často celá údolí, dlouhá léta byl největší radioteleskop Alesibo, který je na ostrovu Portoriko a který je velice dobře asi znám veřejnosti, protože se tam filmovaly různé Bondovky a další filmy. Měl mnoho úspěchů. Třeba první nepřímé pozorování gravitačních vln a celá řada dalších jevů. No a ten byl největším radioteleskopem světa nepohyblivým o průměru nějakých 304 metrů té mísy. Překročil ho čínský Fast, v roce 2015, který má průměr 500 metrů.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
A co se týče těch polí, také už nějaká stojí?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Stojí, je jich celá řada. Takové asi úplně nejznámější je Very Large Array ve Spojených státech, v Novém Mexiku, které má antény o průměru 25 metrů. Těch antén je tam tuším 36? Ale nejsem si teď úplně jistý. Ono si todleto pole půjčuje antény od sousedních polí, aby zvětšilo rozlišovací schopnost, takže vlastně nedá se ani přesně říci, kolik těch vlastních antén má. Potom je tady další a to je takové velice rozlehlé, Very Large Base Line Array, což je radioteleskopické pole stejného typu, dokonce provozované stejným provozovatelem National Science Foundantion, což je taková bohatá agentura Spojených států, nějaké obdoba našeho GAČR, Grantové agentury České republiky. Ta provozuje i velikou síť deseti radioteleskopů, z nichž ten nejzápadnější je na Havajských ostrovech, ten nejvýchodnější na Panenských ostrovech a ta základna má 8600 kilometrů. Což je fascinující, tím se zvyšuje rozlišovací schopnost takového zařízení. A toto zařízení spolupracuje s dalšími podobnými sítěmi na světě, ať je to asijská síť, evropská síť, nakonec musíme si přiznat, že dneska máme vlastně jednu obří celosvětovou síť radioteleskopů, které jsou občas doplňovány i radioteleskopy umístěnými ve vesmíru, což byla družice Halka, která už dnes nefunguje, potom to suplovala chvíli jedna ruská družice a momentálně ve vesmíru nemáme žádný radioteleskop. Ale až tam bude, tak vlastně zase bude ta radioteleskopická síť rozšířena do té celosvětové sítě přesahující dokonce hranice povrchu země.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Technologie jsou tedy dávno odzkoušené, dokonce by se mohlo zdát, že je vlastně zbytečné stavět nějaké další, i když obrovské radioteleskopiceké pole.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Petr Kulhánek nás vyvede z omylu. Kilometrové pole SKA bude po svém dokončení naprosto unikátní a všechny současné přístroje hravě strčí do kapsy.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Citlivost bude mnohonásobně vyšší, kdybychom ji porovnávali třeba Habbleovým dalekohledem, tak rozlišovací schopnost bude asi 20 násobně vyšší, citlivost nepoměrně také, ale tady se nejedná o vizuální obor, jedná se o ten obor radiový. To je vždycky důležité mít na zřeteli, protože v radiovém oboru nic takového nemáme s takovouto citlivostí. A my vlastně poprvé historicky budeme moci zkoumat jevy, na které jsme neměli nikdy žádné přístroje. Ty největší radioteleskopické sítě světa, které máme k dispozici, mají sice obří základnu, to ano, ale nemají dostatečnou sběrnou plochu. A tady se navyšuje ta sběrná plocha na ten kilometr čtvereční, což nemá obdoby a umožní to třeba chytání gravitačních vln, úplně jiným způsobem, než to dělají detektory Ligo. Gravitační vlny se tady budou chytat pomocí pulsarů, pulsary, to jsou neutronové hvizdy, které vysílají pravidelné pulsy a teď jsou vlastně deformovány průchodem kolem gravitační vlny. A to se dá sledovat radioteleskopy.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Není to asi jediné, čemu se budou věnovat, určitě se najdou i další oblasti.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik
Ředitelství projektu deklarovalo, že se budou zabývat pěti základními okruhy. Ten první okruh jsou hvězdy. Tato radioteleskopická síť je natolik rozlehlá, na tolik citlivá, že by měla být schopna zachytit světlo první vznikajících hvězd, kolem 400 milionů let po začátku vesmíru. Takovýto signál z těch vznikajících prvních hvězd je díky expanzi vesmíru nafukován, zvětšována jeho vlnová délka, takže dneska je v té radiové oblasti přesně, kde to pole bude mít svoji působnost. Druhá deklarovaná oblast výzkumu, to jsou gravitační vlny, o tom už jsem hovořil. Třetí deklarovaná oblast je mapování vodíku v miliardách galaxií a mezigalaktickém prostoru, což by mělo vést k tomu, že budeme konečně znát, jak se galaxie vyvíjejí. Jakýsi průřez toho, co se s galaxií děje od jejího zrodu až do jejího slučování s ostatními galaxiemi a jak vlastně vznikají ty velkorozměrové struktury ve vesmíru, na což máme dneska pasivní projekty, které mapují vesmír na největších škálách, ale není tam žádná dynamika, která by tady měla být patrná. Čtvrtým okruhem, který je pro mě srdeční záležitostí je vznik magnetických polí ve vesmíru, protože já se zabývám fyzikou plazmatu a samozřejmě vím, že kdekoliv magnetické pole vznikne, tak už se ho nikdy nezbavíme. A magnetické pole je vázáno na plazmatické struktury. Když se plazma někam pohne, tak se s ní pohne i to magnetické pole. Ale zůstává tady nezodpovězená otázka, kde se ta magnetická pole ve vesmíru vzala. Ta první magnetická pole, protože magnetické pole ve vesmíru všude. Je v mezigalaktickém prostoru, mezi kupami galaxií, v galaxiích, ve hvězdách, v mlhovinách, dokážeme si představit, jak vzniká magnetické pole třeba ve hvězdách, to je dáno pohyby nabitých částic, ale jak vzniklo magnetické pole v mezigalaktickém prostoru, to je obrovská neznámá. A právě radioteleskopická síť SKA by mohla tudlectu hádanku, která trápí lidi přes půl století rozluštit. Posledním tím deklarovaným okruhem je výzkum temné hmoty, který se bude dělat z gravitačního čočkování, protože deformace světla různých zdrojů, většinou jsou to kupy galaxií je způsobena i mezilehlou temnou hmotou a z toho se dá mapovat temná hmota. Je docela zvláštní, že v těch 5 okruzích, které ředitelství projektu SKA deklarovalo naprosto chybí astrochemie, astrobiologie a další takovéto věci, ale určitě se tím budou zabývat, protože jednotlivé organické molekuly, které jsou přítomny v mlhovinách mohou různě vibrovat a natáčet se a přitom vysílat elektromagnetické záření, které je právě v radiovém oboru spektra. Čili tenhlecten přístroj je jak dělaný na takovéto záležitosti.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Říká na závěr Petr Kulhánek, odborný pracovník hvězdárny a planetária hlavního města a Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Frederik VELINSKÝ, moderátor
Kolem kilometrového pole SKA není ještě úplně všechno dořešeno. Bude například nutné vyvinout nové typy datových linek, protože z přístroje bude do centrály přicházet neuvěřitelné množství dat.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka
Bude jich tolik, že je nebude možné zpracovat v reálném čase, ale na to už jsme ve vědě zvyklí, děje se to i teď. Kdo si počká, ten se dočká. Nezbývá, než se na nové objevy těšit. Určitě přijdou.