Svevideće oko opservatorije „Vera Rubin“ će transformisati astronomiju obuhvatnošću i brzinom

Ovaj džinovski teleskop je napravljen da bude brz. Čelična baza koja drži ogledala je velika, ali lagana, tako da može da se kreće i zaustavi brzo. Snažni kondenzatori ispod baze daju moćan impuls motorima koji okreću teleskop. Kretanje je toliko glatko da se ne može reći šta se vrti – teleskop ili okolna platforma.

Kamera u središtu je takođe brza, sposobna da napravi sliku od 3.200 megapiksela iz svake ekpozicije za manje od tri sekunde.

Preporučujemo

„Rubin“ mora da bude brz jer mora da pokrije mnogo neba – čitavo nebo. Za razliku od većine teleskopa, koji zumiraju određene objekte, ovaj će posmatrati oblasti u vidnom polju koje pokriva ekvivalent od 45 punih Meseca.

Pri svakom zastajanju, kamera teška tri tone će snimati vidik pomoću niza od 189 svetlosnih senzora na temperaturi -100 stepeni Celzijusovih, proizvodeći sliku toliko bogatu da bi bio potreban zid od 400 TV ekrana ultravisoke definice da bi se prikazala potpuno.

Za svaki snimak je potrebno 30 sekundi. Zatim teleskop pređe za manje od pet sekundi na novi pogled. Tako će napraviti mozaičnu sliku celog neba vidljivog iz Čilea za samo tri dana pre nego što počne ponovo. Panorame će postepeno prerasti u filmski snimak univerzuma u vremenskim intervalima.

Upoređujući svaku novu sliku u tom filmu sa onim što je bilo ranije, „Rubin“ će detektovati sve što se pomerilo, promenilo sjaj ili se iznenada pojavilo. U roku od jednog minuta od slanja nekog snimka, centar za procesuiranje u Kaliforniji generisaće upozorenja za svaki novi „tranzijent“ – čak 10 miliona svake noći.

Neki će biti blizu, u solarnom sistemu: milioni novih asteroida i drugih objekata – a možda čak i nedokučiva Planeta 9, hipotetička planeta iza Neptuna. Sistem upozorenja će pokušati da isključi tragove sve većeg broja satelita u orbiti oko Zemlje.

Na većoj daljini, u i oko Mlečnog puta, svaki snimak će zabeležiti prosečno oko 7.200 varijabilnih zvezda, kao što su cefeide, koje se koriste za merenje distanci i ispitivanje hemijskog sastava zvezda.

Dalje od Mlečnog puta, „Rubin“ će posmatrati stotine hiljada kosmičkih kataklizmi svake noći. One mogu uključivati džinovsku zvezdu koja završava svoj život u eksploziji supernove, ogromnu crnu rupu koja rastura zvezdu koja je prišla previše blizu, ili dve orbitirajuće neutronske zvezde koje se spajaju u ogromnom sudaru. Cilj je da se razaznaju najređe, najneobičnije i najinteresantnije pojeve.

„Rubin“ neće zapostaviti objekte koji su postojani tokom vremena. Iznova „slažući“ slike dok 10-godišnje ispitivanje napreduje, polako će praviti najdublju i najdetaljniju mapu kosmosa, uključujući milijarde galaksija, od kojih neke isijavaju svetlost čije putovanje je počelo pre 11 milijardi godina, kad je starost univerzuma bila manja od četvrtine u odnosu na današnju.

Astronomi će saznati kako te galaksije evoluiraju i rastu, a iz njihove distribucije širom vremena i prostora zaključiće kako na njih utiču tamna materija i tamna energija, dve misteriozne supstance za koje se smatra da, iako nevidljive, zajedno čine 95% sadržaja univerzuma.

Ogromna arhiva, koja će rasti 20 terabajta svake noći, posle godinu dana sadržaće više optičkih astronomskih podataka nego što su proizveli svi raniji teleskopi zajedno.

Epohalno istraživanje treba da počne za oko šest meseci. U međuvremenu, osoblje vežba korake potrebne za proizvodnju slika cele noći, svake noći, narednih 10 godina. Prvi probni snimci biće objavljeni 23. juna. Međutim, osoblje nastavlja sa usavršavanjem instrumenta.

Nacionalna naučna fondacija, Ministarstvo energije SAD i privatni donatori su izdvojili 800 miliona dolara za opservatoriju koja je jednako fabrika podataka i teleskop.

Širom sveta, istraživači godinama razvijaju sisteme mašinskog učenja i veštačke inteligencije radi izlaska na kraj sa predstojećom bujicom novih objekata. Brojni drugi teleskopi, neki potpuno robotski, spremni su da zumiraju i nadziru nove tranzijente kako bi videli šta su i kako se razvijaju.

Glavni naučnik opservatorije „Rubin“, Toni Tajson, astronom sa Kalifornijskog univerziteta u Dejvisu, kaže da je inspiraciju dobio pre više od 25 godina, kad je sedeo u kontrolnoj sobi jednog drugog teleskopa u Čileu. Tada je izučavao tamnu materiju, koja upravlja formacijom galaksija i dominira nad običnom materijom u odnosu od skoro 6:1. Priroda tamne materije zasad je nepoznata i može se detektovati samo putem njenih gravitacionih efekata.

Tajson je želeo da mapira distribuciju tamne materije na osnovu načina na koji njena gravitacija deformiše slike udaljenijih galaksija – tehnika poznata kao slabo gravitaciono sočivo. Međutim, fotografske ploče koje su astronomi koristili nisu bile dovoljno osetljive da bi se videle galaksije na velikim daljinama.

Stoga su Tajson i drugi prilagodili CCD uređaje, poluprovodničke nizove koji konvertuju dolazeće fotone u električne naboje koji se mogu iščitati kao slika. Pravili su čipove sa sve više piksela dok nisu napravili jedan sa četiri megapiksela – skromno za današnju digitalnu kameru, ali tada zapanjujuće.

Do 1996, napravili su kameru sa četiri čipa i instalirali je na teleskop „Blanko“ od četiri metra, oko 15 kilometara udaljen od mesta gde se sad nalazi „Rubin“.

Tajson kaže da je, dok je bio u kontrolnoj sobi jedne noći, shvatio da bi potraga za tamnom materijom bila efikasnija sa velikim širokougaonim teleskopom, koji bi hvatao svetlost iz velike oblasti neba odjednom i fokusirao na mnogo veći CCD niz.

Udružio se sa Rodžerom Ejndželom, astrofizičarom sa Univerziteta Arizone, koji je napravio ogledala za neke od najvećih teleskopa na svetu, uključujući džinovski „Magelan“, koji je trenutno u izgradnji i koristi sedam džinovskih ogledala kao jedinstven reflektor širok 25,4 metra.

Tajsonova vizija je zahtevala brz i kompaktan teleskop sa širokim vidnim poljem. Ejndželovo rešenje bila je upotreba tri koncentrišuća ogledala umesto uobičajena dva.

Godine 2001, predloženi teleskop je visoko ocenjen u naučnoj zajednici. Skoro dve decenije kasnije, kad je počeo da dobija oblik na planini Sero Pačon, nazvan je po Veri Rubin, koja je otkrila tamnu materiju beležeći njene efekte na rotaciju galaksija. Opservatorija se nalazi na 2.650 metara visine i teška je 350 tona.

Foto: Rubin Observatory/NSF/AURA/B. Quint, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

Do tada je teleskop dobio još jedan cilj: ispitivanje tamne energije, otkrivene u 1990-im. Tamna energija je suprotnost tamne materije, sila odbijanja koja gura univerzum u pravcu sve bržeg širenja, nasuprot delovanju tamne materije, čija gravitacija pokušava da ga uspori. Astronomi su prvi put primetili te efekte u kretanju dalekih supernova, delimično pomoću Tajsonove prve CCD kamere na teleskopu „Blanko“.

Kosmolozi žele da znaju da li je tamna energija stabilna ili se promenila tokom vremena. Većina studija pokazuje da je konstantna. Međutim, ranije ove godine je istraživanje spektroskopskim instrumentom za tamnu energiju (DESI), na teleskopu u Arizoni, dalo prve znakove da je tamna energija možda varirala tokom kosmičke istorije. Kosmolozi se nadaju da će „Rubin“ to potvrditi ili pobiti.

„Rubinov“ glavni instrument za tamnu energiju je slabo gravitaciono sočivo. Deformacija galaktičkih oblika izazvana posredovanjem materije, tamne i normalne, ne može se videti putem inspekcije individualnih slika. To je suptilan efekat koji se samo može otkriti statistički u velikim uzorcima galaksija. Analiziranjem oblika galaksija na raznim distancama, istraživači će mapirati 3D distribuciju posredujuće materije radi merenja efekata tamne energije u različitim epohama kosmičke istorije.

Ispitivanje tamne energije, projekat teleskopa „Blanko“ od 2013. do 2019, sakupio je stotine hiljada slika galaksija za slabo sočivo. Euklid, evropski svemirski teleskop lansiran 2023, ima za cilj jednu milijardu. „Rubin“ će detektovati 20 milijardi. Uzorak je toliko veliki da nismo ograničeni uobičajenim tipom statističke greške, kaže Tajson.

Mape će takođe pomoći istraživačima koji proučavaju kako se galaksije formiraju i evoluiraju, dajuću pogled na mnoštvo prigušenih, patuljastih galaksija. Naše razumevanje evolucije galaksija dolazi uglavnom od sjajnih objekata – od vrha ledenog brega. Velike galaksije poput Mlečnog puta se smatraju predstavnicima kasne faze u evoluciji galaksija, proizvodom više spajanja. Viđenjem manjih galaksija na većim udaljenostima, spajanja i rasta u ranijim epohama, „Rubin“ će pokazati da li su teoretičari u pravu i kako taj proces utiče na oblike galaksija i stope formiranja zvezda.

Pošto većina galaksija ima supermasivne crne rupe u svojim centrima, spajanja galaksija bi takođe trebalo da dovedu do kruženja dve takve grdosije jedne ka drugoj tokom milijardi godina. Smatra se da ova finalna faza stvara ritmične promene u sjaju, na primer ako jedna od crnih rupa redovno prolazi kroz sjajni, vreli disk materijala oko druge, izazivajući bljeskove. Međutim, posmatrači još nisu potvdili takve ponavljajuće događaje, koji su možda razdvojeni godinama ili decenijama.

Dok „Rubin“ bude gradio ogromni katalog galaksija tokom svog 10-godišnjeg osmatranja, drugi astronomi će juriti trazijente iz poplave alarma. Nekoliko sekundi nakon svake ekspozicije, slika će putovati do objekta Laboratorije za optičku i infracrvenu astronomiju (NOIRLab) na čileanskoj obali, a zatim u Sjedinjene Države. Alarme u pogledu tranzijentnih objekata generisaće Stenfordski centar za linearni akcelerator (SLAC) – prosečno 10.000 po snimku, za 1.000 snimaka svake noći.

Posao tada preuzima softver koji je razvila astronomska zajednica: alarmi se razvrstavaju u kategorije i nekim objektima se daje prioritet u cilju urgentnih kontrolnih opservacija.

Većina upozorenja će se odnositi na uobičajene objekte poput varijabilnih zvezda i poznatih asteroida. Međutim, neki će biti izuzetni: supernove, bukteće supermasivne crne rupe ili međuzvezdane komete koje jure pored Sunca. Za događaje visokog prioriteta, drugi algoritmi će automatski poslati zahteve za posmatranje robotskim teleskopima širom planete. Na primer, mogli bi posmatrati novonastalu supernovu kako bi snimili njen spektar i rastući sjaj u ranim satima, dobijajući uvide u to koja vrsta zvezde je ekplodirala i zašto. Spoljni slojevi supernove najviše govore o zvezdi koja je eksplodirala, kažu astronomi.

Očekuje se da će „Rubin“ detektovati hiljade supernova svake noći, u bliskim i dalekim galaksijama. Mnogo ređa pojava je kilonova: eksplozija uzrokovana spajanjem neutronskih zvezda, ultragustih mrtvih zvezda koje nisu imale dovoljnu masu da se uruše u crnu rupu. Registrovanje takvog spajanja bilo bi bukvalno rudnik zlata za astronome pošto se smatra da kilonove stvaraju mnoge teške elemente, uključujući zlato, putem fuzije manjih jezgara tokom kataklizme.

Godine 2017,detektori gravitacionih talasa primetili su talasni efekat spajanja neutronskih zvezda, ali nisu mogli odrediti tačnu loakciju. Astronomima je trebalo 11 sati da pronađu kilonovu i do tada su propustili ključnu fazu rasta njenog sjaja. Ako bi opet došlo do takve detekcije, „Rubin“ bi mogao preusmeriti svoj široki i osetljivi pogled sa noćnog snimanja na potragu.

„Rubin“ bi mogao imati čak i više sreće – ako kilonova eksplodira direktno iza galaksije ili klastera galaksija, što može funkcionisati kao gravitaciono sočivo. Rezultat bi mogao biti veći broj slika eksplozije, svaka u malo drugačijem trenutku. Astronomi bi mogli baciti pogled na sam početak eksplozije, dobijajući nove informacije o proizvodnji teških elemenata i neobičnom stanju materije za koje se pretpostavlja da postoji unutar neutronske zvezde. Rastući deo svetlosne krive kilonove je jedan od ključnih pokazatelja u nekim od otvorenih pitanja o spajanjima neutronskih zvezda.

Bliže Zemlji, „Rubin“ će otkriti mnoštvo novih objekata u solarnom sistemu – predviđa se 3,7 miliona asteroida u glavnom pojasu, 32.000 objekata iza Neptuna i 90.000 novih asteroida blizu Zemlje, uključujući neke koji bi mogli biti pretnja. Zavisno od tipa objekta, to je između dva i 12 puta broj trenutno poznatih.

Godine 2016, pretpostavljeno je da neobična orbitalna grupa ledenih objekata daleko iza Neptuna pokazuje uticaj neviđene, slično udaljene planete veće od Zemlje. Teleskopi zasad nisu uspeli da lociraju Planetu 9, ali je „Rubin“ savršen instrument da je pronađe – ako je njena orbita u okviru polja pogleda opservatorije u pravcu juga.

U svakom slučaju, očekuje se da „Rubin“ otkrije mnoštvo udaljenih objekata van ravni u kojoj planete orbitiraju. U najspoljašnijim oblastima solarnog sistema, „Rubin“ bi mogao otkriti nerazgovetna svedočanstva o nastanku Sunca. Većina zvezda je rođena u grupama, iz ogromnog obalaka gasa. Zvezde se brzo raštrkaju, ali je njihovo rano gravitaciono dejstvo moglo ostaviti haotičan trag na orbite najudaljenijih objekata solarnog sistema. Veliki deo te strukture je uspostavljen tokom prvih nekoliko miliona godina Sunčevog života pošto klasteri ne žive baš dugo.

Neki objekti koje „Rubin“ otkrije mogu čak biti iz drugih planetarnih sistema. Od 2017, astronomi su detektovali dve gomile stena koje jure kroz solarni sistem previše brzo da bi bili gravitaciono vezani za Sunce. Ne zna se šta ih je izbacilo iz njihovog doma – možda druga zvezda koja je prošla blizu – ali proučavanje njihovog hemijskog sastava moglo bi baciti svetlo na prirodu drugih planetarni sistema, tj. kako ostatak galaksije pravi planete. „Rubin“ bi, kaže studija iz februara, tokom 10-godišnjeg pregleda mogao detektovati čak 50 međuzvezdanih posetilaca.

(Telegraf Nauka/Science)