WSZECHŚWIAT A TELESKOP KOSMICZNY.pdf

(768 KB) Pobierz
Wszech±wiat w dobie teleskopu kosmicznego
Wszech±wiat w dobie teleskopu kosmicznego
Andrzej Woszczyk
Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikoªaja Kopernika w Toruniu
Wykªad ten b¦dzie dotyczyª wspóªczesnej astronomii, astronomii w dobie teleskopu
kosmicznego Hubble'a. Przed kilkunastu laty astronomowie bardzo pragn¦li posiada¢
taki teleskop, którego mo»liwo±ci ograniczone byªyby tylko zjawiskiem dyfrakcji, a nie
tak jak to dzieje si¦ na powierzchni Ziemi, jako±ci¡ pogody w miejscu ustawienia te-
leskopu i scyntylacj¡ atmosferyczn¡. Teraz wªa±nie na powierzchni Ziemi budowane
s¡ coraz wi¦ksze i doskonalsze teleskopy, które ÿtaniej" dostarczaj¡ nam obrazy ciaª
i zjawisk niebieskich oraz pomagaj¡ zrozumie¢ ich natur¦. Niektóre z nowych me-
tod badawczych wspóªczesnej astronomii oraz wybrane obiekty Wszech±wiata b¦d¡
przedmiotem niniejszego wykªadu.
Otaczaj¡cy nas Wszech±wiat jest wspaniaªym laboratorium zycznym. Znajdujemy w nim
ÿza darmo" ekstremalne warunki zyczne: najmniejsze i najwi¦ksze z mo»liwych odlegªo-
±ci, najmniejsze i najwi¦ksze g¦sto±ci, ekstremalne temperatury i przeró»ne stany materii.
W przestrzeniach kosmicznych g¦sto±ci materii zawieraj¡ si¦ mi¦dzy 10 23 { 10 18 kg/m 3 ,
temperatury mi¦dzy 2,7 { 10 9 a nawet 10 11 K, indukcja magnetyczna si¦ga 10 11 T (w ma-
gnetarach), a pola grawitacyjne maj¡ warto±¢ 10 12 m/s 2 . Na Ziemi najlepsza pró»nia wy-
ra»a si¦ warto±ci¡ 10 10 kg/m 3 , a pole magnetyczne si¦ga zaledwie 6 (a chwilowe 200) T.
Astronomowie s¡ wi¦c zykami, którzy badaj¡ materi¦ w tych ekstremalnych warunkach:
sprawdzaj¡ dziaªanie praw zyki odkrytych w ziemskich laboratoriach w warunkach ko-
smicznych, pomagaj¡ odkrywa¢ nowe prawa i nowe stany zyko-chemiczne materii. Sªo-
wem, astronomowie s¡ badaczami poznaj¡cymi i nam wszystkim przybli»aj¡cymi naturalne
±rodowisko bytowania czªowieka, któremu na imi¦ Wszech±wiat. Kieruj¡c teleskop na ró»ne
obiekty, mo»e bada¢ ró»ne stany materii, a si¦gaj¡c do coraz dalszych obiektów, si¦ga si¦
do coraz bardziej wczesnych epok »ycia naszego Wszech±wiata.
Wszech±wiat wypeªniony jest obiektami, które maj¡ bardzo ró»n¡ natur¦. Ró»ne s¡ me-
chanizmy promieniowania i w ró»nych zakresach dªugo±ci fal promieniowania elektroma-
gnetycznego ró»ne obiekty objawiaj¡ nam swoje istnienie i swój ÿcharakter". A wi¦c mamy
¹ródªa wysokoenergetycznego promieniowania gamma, ¹ródªa promieniowania rentgenow-
skiego, aktywne galaktyki i gwiazdy promieniuj¡ce gªównie w ultraolecie, ±wiat gwiazd
i galaktyk, który poznawa¢ mo»emy naszym zmysªem wzroku w ±wietle widzialnym, obiek-
ty podczerwone, mikrofalowe i radiowe. W tych ró»nych domenach spektralnych u»ywa¢
Zapis wykªadu wygªoszonego na XXXV Zje¹dzie Fizyków Polskich, Biaªystok, 20-23 wrze±nia 1999 r.
Autor jest prezesem Polskiego Towarzystwa Astronomicznego oraz redaktorem naczelnym dwumie-
si¦cznika ÿUrania { Post¦py Astronomii"
1
35860780.002.png
musimy ró»nych instrumentów zbieraj¡cych to promieniowanie i ró»nych odbiorników je
rejestruj¡cych. Na u»ytek naszego dzisiejszego spotkania ogranicz¦ si¦ tylko do widzialnego
zakresu promieniowania, promieniowania którym rz¡dz¡ prawa Kirchhoa, Plancka (i jego
pochodne), Boltzmanna i Sahy i gdzie wszystko co widzimy jest zale»ne od temperatury.
B¦d¦ si¦ staraª przybli»y¢ Pa«stwu niektóre uwarunkowania, z jakimi mamy do czynie-
nia w obserwacjach astronomicznych, oraz pokaza¢ obrazy niektórych obiektów naszego
kosmicznego s¡siedztwa.
Fot. 1: Astronomowie ÿobserwuj¡cy" teleskopem nr 2 zespolu VLT w obserwatorium ESO
na Mt Paranal w Chile
Min¡ª ju» czas, gdy astronomów wyobra»ali±my sobie jako starszych, dostojnych panów,
którzy z okiem przy okularze dªugiego teleskopu penetrowali otchªanie Kosmosu i dokony-
wali swych odkry¢. Dzisiaj astronom coraz cz¦±ciej ÿodsuwany" jest od teleskopu { prac¡
teleskopu steruje i prowadzi obserwacje z dala od tego narz¦dzia, przy pomocy kompute-
rów. Czasem miejsce pracy astronoma znajduje si¦ gdzie± na ni»szych pi¦trach budynku
teleskopu, czasem, jak np. w przypadku polskiego teleskopu w Chile, w oddzielnym bu-
dyneczku obok pawilonu z teleskopem, a czasem nawet tysi¡ce kilometrów od teleskopu
(fot. 1).
Dlaczego tak si¦ dzieje? Dlaczego astronomowie s¡ odsuwani od swych teleskopów? Jest
to przejawem troski o mo»liwie najwy»sz¡ jako±¢ prowadzonych obserwacji, a ±ci±lej o usu-
ni¦cie z drogi promieniowania dochodz¡cego do nas od gwiazd i z s¡siedztwa instrumentu,
który to promieniowanie odbiera i tworzy obraz ciaªa niebieskiego, wszelkich zaburze«, mo-
2
35860780.003.png
g¡cych znieksztaªci¢ front docieraj¡cej do ogniska teleskopu fali. A czªowiek jest przecie»
¹ródªem ciepªa, które powoduje turbulentny ruch powietrza wokóª siebie i instrumentu.
A ponadto mo»e wykonywa¢ jakie± niekorzystne dla jako±ci obrazu ruchy czy czynno±ci!
Dzisiejszym astronomom nie wystarcza ju», wspaniaªy przecie», teleskop kosmiczny
Hubble'a. Prawd¡ jest, »e ten teleskop otworzyª now¡ epok¦ w astronomii i ci¡gle do-
starcza i przez wiele lat jeszcze b¦dzie dostarczaª nam wspaniaªe obrazy najodleglejszych
obiektów Wszech±wiata. Ale astronomowie chc¡ si¦ga¢ jeszcze dalej i coraz dokªadniej wi-
dzie¢ i rozumie¢ procesy zachodz¡ce w bezkresnych gª¦binach Kosmosu. Chc¡ poznawa¢
ciaªa niebieskie we wszystkich ich ÿbarwach": od wysokoenergetycznych promieni gamma,
poprzez promieniowanie rentgenowskie, ultraoletowe, widzialne, podczerwone, mikrofa-
lowe i radiowe. Wysyªaj¡ wi¦c ró»norodne ÿteleskopy" i aparaty odbiorcze wysoko nad
powierzchni¦ i atmosfer¦ Ziemi i nawet do odlegªych planet naszego Ukªadu Sªoneczne-
go. Wystarczy wspomnie¢ statki kosmiczne Voyager, pracuj¡c¡ w pobli»u Jowisza stacj¦
Galileo, czy zaledwie kilka tygodni temu wprowadzonego na orbit¦ okoªoziemsk¡ satelit¦
obserwuj¡cego Wszech±wiat w promieniach X { Chandr¦. Utworzony przez teleskop rze-
czywisty obraz ciaªa niebieskiego poddawany jest takiej samej analizie, jak wytworzone
przez zyka w laboratorium ¹ródªo promieniowania: mierzy si¦ jego jasno±¢, kieruje do
spektrografu dla przeprowadzenia analizy widmowej i bada przy pomocy polarymetru.
Fot. 2: Obserwatorium VLT na górze Paranal w Chile
Najwi¦kszym obecnie budowanym na ±wiecie teleskopem optycznym jest Bardzo Du»y
Teleskop (VLT { Very Large Telescope) na górze Paranal w póªnocnym Chile (fot. 2).
W warunkach suchej pustyni Atacama, na wysoko±ci 2400 m npm, w miejscu o niezwy-
kle stabilnej atmosferze i doskonaªej widoczno±ci, na ±ci¦tym wierzchoªku góry powstaje
3
35860780.004.png
wspaniaªe obserwatorium XXI wieku. Europejskie Obserwatorium Poªudniowe (ESO { Eu-
ropean Southern Observatory) stawia tam 4 teleskopy o ±rednicy przeszªo 8 metrów, które
b¦d¡ pracowa¢ razem. Do tej pory (wrzesie« 1999 r.) uruchomiono ju» dwa z czterech
planowanych o±miometrowych gigantów, a caªy komplet b¦dzie gotowy do astronomicznej
sªu»by z ko«cem roku 2000. Razem teleskopy te b¦d¡ zbieraªy tyle ±wiatªa, ile zbieraªby
pojedy«czy teleskop o ±rednicy lustra równej 16 metrom. Cztery gªówne teleskopy b¦d¡
wspomagane najpierw trzema, a nast¦pnie o±mioma mniejszymi, przesuwanymi na szy-
nach instrumentami o ±rednicy okoªo 2 m. I razem b¦d¡ tworzyªy interferometr VLTI,
który b¦dzie dawaª obrazy ciaª niebieskich ze zdolno±ci¡ rozdzielcz¡ równowa»n¡ telesko-
powi o ±rednicy 108 metrów!
Fot. 3: Artystyczna wizja przyszªego obserwatorium radioastronomicznego ALMA (Ataca-
ma Large Millimetre Array)
Na tej samej pustyni Atacama, na poªo»onym na wysoko±ci ok. 5000 m npm pªasko-
wy»u Chajnantor, w ci¡gu najbli»szych kilku lat powstanie te» wielkie mi¦dzynarodowe
obserwatorium radioastronomiczne ALMA, zªo»one z 64 anten radiowych o ±rednicy 12 m
rozstawionych na przestrzeni ok. 10 km kwadratowych (fot. 3). Na krótkich falach radio-
wych (w dziedzinie mikrofal) teleskop ten b¦dzie obserwowa¢ najdalsze regiony Wszech-
±wiata, formowanie si¦ nowych gwiazd i planet, kwazary, czarne dziury i inne zjawiska
kosmiczne. A nawet b¦dzie zdolny do wykrywania ewentualnych ±ladów »ycia organicznego
w przestrzeni pozaziemskiej.
Dlaczego astronomowie buduj¡ du»e teleskopy? Dzieje si¦ tak z dwóch zasadniczych
powodów. Po pierwsze, chcemy zebra¢ jak najwi¦cej ±wiatªa (czy ogólnie promieniowania)
od bardzo sªabych obiektów, a wi¦c obiektów poªo»onych w odlegªych gª¦biach Kosmosu.
Ilo±¢ zebranej energii jest wprost proporcjonalna do powierzchni zbieraj¡cej teleskopu,
czyli kwadratu ±rednicy jego lustra D 2 . Po drugie chcemy te obiekty ÿwidzie¢" lepiej to
znaczy z mo»liwie najwi¦ksz¡ zdolno±ci¡ rozdzielcz¡ w caªym zakresie widma, czyli »eby
utworzony w ognisku teleskopu obraz byª jak najbardziej ÿostry". A zdolno±¢ rozdzielcza
jest tym lepsza, czyli ma mniejsz¡ warto±¢, im wi¦ksza jest ±rednica D, bo dyfrakcja, ten
4
35860780.005.png
zyczny efekt ograniczaj¡cy wielko±¢ obrazu w ognisku teleskopu, jest proporcjonalna do
dªugo±ci fali, a odwrotnie proporcjonalna do ±rednicy lustra teleskopu.
We wspóªczesnych teleskopach wykorzystuje si¦ dwa nowe sposoby formowania obrazu.
Pierwszy polega na utrzymywaniu w czasie rzeczywistym obserwacji ksztaªtu gªównego
zwierciadªa teleskopu w taki sposób, aby utworzony przeze« obraz gwiazdy miaª mo»li-
wie najmniejszy rozmiar. T¦ metod¦ nazywamy ÿoptyk¡ aktywn¡". Wspomniane wcze±niej
o±miometrowe teleskopy VLT maj¡ lustra o grubo±ci zaledwie 17 cm, spoczywaj¡ce na set-
kach ruchomych, sterowanych komputerem wsporników (fot. 4). Po komputerowej analizie
jako±ci obrazu, wsporniki dopasowuj¡ ksztaªt zwierciadªa tak, aby obraz gwiazdy tworzo-
ny w ognisku byª minimalny, aby na najmniejszej powierzchni obrazu zebra¢ mo»liwie
najwi¦ksz¡ ilo±¢ ±wiatªa.
Fot. 4: Schemat systemu optyki aktywnej teleskopu VLT
Drug¡ metod¡ jest tzw. technika optyki adaptacyjnej, polegaj¡ca na usuni¦ciu zaburze«
frontu fali docieraj¡cej do teleskopu. W tej metodzie jedno z luster teleskopu systemu coude
ulega deformacji w miar¦, jak zmienia si¦, zaburzony gªównie przez ziemsk¡ atmosfer¦, front
fali ±wietlnej docieraj¡cej do nas od obserwowanego obiektu. Lustro adaptywne ÿprostuje"
front fali, dzi¦ki czemu po skupieniu w ognisku powstaje obraz o du»o lepszej jako±ci (fot.
5). Obie opisane tutaj techniki sprawiªy mi¦dzy innymi, »e mo»liwe staªo si¦ dostrze»enie
pojedy«czych gwiazd w centralnych obszarach g¦stych gromad gwiazdowych przy pomocy
naziemnych teleskopów.
Z codziennego »ycia doskonale wiemy, »e noc¡ trudno jest dostrzec cokolwiek za oknem,
5
35860780.001.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin