Teleskopy, radioteleskopy i detektory fal grawitacyjnych

Jak wiadomo, jest wiele typów teleskopów - różniących się przede wszystkim długością fal światła, które rejestrują. Teleskopy optyczne wykorzystują światło widzialne. Rentgenowskie wykrywają obiekty w zakresie fal krótszych niż światło ultrafioletowe. Teleskopy działające w zakresie podczerwieni wykorzystują fale dłuższe niż światło widzialne, a ultrafioletowe - krótsze niż światło widzialne. Wszystkie razem składają się na nasz kosmiczny wzrok.

Słuchem nazywa się sieć radioteleskopów, spośród których największe anteny osiągają aż pół kilometra średnicy. Pracują w zakresie fal radiowych. To właśnie dzięki globalnej sieci tego rodzaju obserwatoriów, nazywanej Event Horizon, udało się opracować słynny już obraz masywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87.

A tytułowy dotyk? Cóż, do tego zmysłu można by przyrównać rodzącą się astronomię fal grawitacyjnych. Detektory takie jak LIGO wyczuwają w końcu drgania przestrzeni, co kojarzy się właśnie ze zmysłem dotyku.

Od Wysp Kanaryjskich po RPA

Choć ma już dekadę, wciąż największym lustrem spośród znanych nam teleskopów dysponuje Gran Telescopio Canarias (GTC) na Wyspach Kanaryjskich.

Główne zwierciadło składa się z 36 sześciokątnych segmentów. Obserwatorium wyposażone jest również w kilka instrumentów pomocniczych, takich jak CanariCam, czyli kamerę zdolną do badania światła podczerwonego średniego zasięgu, emitowanego przez gwiazdy i planety. CanariCam ma również unikalną zdolność do wyznaczania kierunku światła polaryzacyjnego oraz do blokowania jasnego światła gwiazd, co czyni egzoplanety bardziej widocznymi.

W mediach czytamy też często o odkryciach poczynionych dzięki parze teleskopów Keck I i II o zwierciadle 10 m każdy, znajdujących się w Obserwatorium im. W. M. Kecka, blisko szczytu hawajskiego wulkanu Mauna Kea. Teleskopy połączone razem tworzą interferometr Kecka, będący jednym z największych na świecie.

Uniwersytet Kalifornijski i Lawrence Berkeley Labs rozpoczęły projektowanie tego sprzętu w 1977 r. Amerykański biznesmen i filantrop Howard B. Keck przekazał 70 mln dolarów potrzebnych na budowę. Wznoszenie Keck 1 rozpoczęło się w 1985 r.

3. Porównanie rozmiarów naziemnych teleskopów:

1. Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), 2. Ekstremalnie Wielki Teleskop (Extremely Large Telescope), 3. Teleskopy Kecka (Keck I i Keck II), 4. Trzydziestometrowy Teleskop (Thirty Meter Telescope), 5. Wielki Teleskop Kanaryjski (Gran Telescopio Canarias), 6. Teleskop Subaru (Subaru Telescope), 7. Wielki Teleskop Południowoafrykański (South African Large Telescope), 8. Teleskop Nowej Technologii (New Technology Telescope), 9. Gigantyczny Teleskop Magellana Gigant Magellan Telescope), 10. Wielki Teleskop do Synoptycznych Obserwacji Przeglądowych (Large Synoptic Survey Telescope)

Popularność obserwatorium rosła i przyszły kolejne darowizny, które pozwoliły na realizację Keck 2. W 2004 r. zastosowano tu pierwszy w dużym teleskopie laserowy system optyki adaptacyjnej, który tworzy sztuczną plamę gwiazdową użyteczną podczas oglądania nieba jako punkt odniesienia do korygowania zniekształceń atmosferycznych.

Jednym z najbardziej znanych teleskopów optycznych jest Wielki Teleskop Południowoafrykański (SALT), największy naziemny instrument optyczny na półkuli południowej, który koncentruje się na badaniach spektroskopowych. Jego główne zwierciadło składa się z 91 sześciokątnych luster.

Ze względu na swoje położenie SALT może przechwytywać obrazy będące poza zasięgiem obserwatoriów z półkuli północnej. Teleskop jest finansowany przez grupę państw, którą tworzą: Niemcy, Wielka Brytania, Nowa Zelandia, Indie, Afryka Południowa, USA i… Polska.

Kolejną konstrukcją, znaną nie tylko w środowisku astronomów, jest Wielki Teleskop Dwuobiektywowy (Large Binocular Telescope, LBT). Oba zwierciadła teleskopu są monolityczne, o średnicy 8,4 m każde. Łączna powierzchnia zwierciadeł wynosi 111 m2. Możliwości LBT są zatem porównywalne z teleskopem z pojedynczym lustrem o średnicy 11,8 m.

Subaru, japoński teleskop pracujący w zakresie światła widzialnego i podczerwieni, z tzw. optyką aktywną, ma zwierciadło monolityczne o łącznej średnicy 8,3 m (z czego do obserwacji używane jest 8,2 m), które powstało przez zgrzanie 55, w większości sześciokątnych, segmentów. Wyposażono go w 261 siłowników, kompensujących ewentualne odkształcenia zwierciadła. Instrument ten znajduje się w hawajskim Obserwatorium Mauna Kea.

Sucho, przejrzyście i ludzi nie ma

Oczywiście powyższy przegląd to dopiero wstęp do podróży do stolicy światowej astronomii, którą są okolice pustyni Atacama w Chile. To tu wzniesiono największe i najpotężniejsze kompleksy teleskopów na świecie. Sprzyjają im warunki naturalne, takie jak wyjątkowo suche powietrze, czyste niebo i brak zaludnienia.

Znajduje się tam więc np. południowa część Obserwatorium Gemini, składającego się z dwóch 8,1-metrowych teleskopów optycznych, leżących w dwóch różnych miejscach Ziemi. Bliźniacze teleskopy zostały skonstruowane i są użytkowane przez konsorcjum, w którego skład wchodzą Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Kanada, Chile, Brazylia, Argentyna oraz Australia. Jeden z teleskopów, Bliźniak Północny (Gemini North, zwany również Teleskopem Fryderyka C. Gilletta), zbudowano na Mauna Kea. Drugi - Bliźniak Południowy (Gemini South) - wzniesiono na wysokości 2500 m n.p.m., na górze Cerro Pachón w chilijskich Andach.

Obecnie za największe optyczne obserwatorium astronomiczne uznaje się Very Large Telescope (VLT, Bardzo Duży, czy też Wielki, Teleskop), należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego (European Southern Observatory - ESO). Jest to zespół czterech teleskopów optycznych z optyką adaptatywną i aktywną, o średnicy zwierciadła 8,2 m każdy (2), które w badaniach interferometrycznych są uzupełniane przez cztery przestawne teleskopy optyczne o średnicy 1,8 m.

2. Interferometr VLT

Duże teleskopy noszą nazwy Antu, Kueyen, Melipal i Yepun - związane z mitologią tamtejszych Indian. Poza nimi w kompleksie zainstalowano teleskop VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy), o średnicy zwierciadła 4,1 m, oraz VST (VLT Survey Telescope), o średnicy zwierciadła 2,6 m.

VLT jest zlokalizowany w Obserwatorium Paranal na wzgórzu Cerro Paranal (2635 m n.p.m.), na pustyni Atacama. Wierzchołek wzgórza to jedno z najsuchszych miejsc na Ziemi. Cztery główne teleskopy mieszczą się w budynkach o kontrolowanej temperaturze, które obracają się razem z teleskopami. Taki projekt minimalizuje niesprzyjające efekty wpływające na warunki obserwacyjne, np. turbulencje powietrza w tubusie teleskopu, które mogą zdarzać się z powodu zmienności temperatury i wiatru. Według ESO, VLT może "rekonstruować obrazy z rozdzielczością kątową rzędu milisekund, co odpowiada dostrzeżeniu z Ziemi dwóch reflektorów samochodu jadącego po Księżycu".

Przyszłość (odrobinę niepewna)

Klasyfikacja największych naziemnych teleskopów może już za kilka lat zostać całkowicie przemeblowana. Na Mauna Kea ma powstać trzydziestometrowy Thirty Meter Telescope (TMT), którego budżet szacuje się na 1,4 mld dolarów (4). Jego planowana apertura (czyli średnica otworu, przez który wpada światło) dziewięciokrotnie przekracza powierzchnię lustra Kecka, a dostarczać ma on obrazów o rozdzielczości dwanaście razy wyższej niż umieszczony na orbicie Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

4. Wizualizacja Thirty Meter Telescope na Hawajach

W Chile powstaje z kolei europejski Ekstremalnie Duży Teleskop (Extremely Large Telescope, ELT), o aperturze 39 m (5). Gdy zacznie funkcjonować, będzie największą na świecie tego typu konstrukcją działającą w zakresie światła widzialnego (6) i bardzo dużym teleskopem w podczerwieni.

5. Wizualizacja Extremely Large Telescope

Zarówno TMT, jak i ELT mają zostać uruchomione w okolicach 2024 r., choć w przypadku tego pierwszego wcale nie jest to pewne. Projekt TMT jest realizowany jeszcze od lat 90. XX wieku. Pierwsze łopaty wbito w ziemię dopiero w roku 2014 r., a na dodatek prace zostały wkrótce wstrzymane - z powodu protestów rdzennych mieszkańców Hawajów, sprzeciwiających się umieszczeniu teleskopu na świętej dla nich górze Mauna Kea. Rozpoczęła się batalia sądowa. W ubiegłym roku najwyższy sąd Hawajów uznał ważność pozwolenia na budowę, ale czy uda się ją kontynuować?

6. Porównanie wielkości projektowanego ELT ze stadionem Etihad w Manchesterze

Trzeci naziemny gigant w planach to Wielki Teleskop Magellana (Giant Magellan Telescope), w Obserwatorium Las Campanas w Chile. Jego główne zwierciadło będzie składało się z siedmiu segmentów, każdy o średnicy 8,4 m, co pozwoli uzyskać rozdzielczość odpowiadającą pojedynczemu zwierciadłu o średnicy 24,5 m (7).

7. Wielki Teleskop Magellana - wizualizacja

Kilka lat temu oczekiwano, że GMT rozpocznie działalność w 2021 r. Dziś podaje się datę trzy lata późniejszą. Jak zapewniają astronomowie, teleskop będzie wystarczająco silny, aby zapewnić nam bezpośredni widok planet w innych systemach gwiazdowych, móc rejestrować światło z najwcześniejszych chwil Wszechświata i być może pomóc odpowiedzieć na największe pytania współczesnej kosmologii - w tym jak powstają galaktyki, ciemna materia i ciemna energia oraz gwiazdy po Wielkim Wybuchu.

Budowany w Chile Large Synoptic Survey Telescope (LSST, Wielki Teleskop do Synoptycznych Obserwacji Przeglądowych) opiera się na założeniu, że nie zawsze większe lustra są kluczem do budowy lepszego teleskopu. Będzie miał zwierciadło o aperturze "jedynie" 8,4 m średnicy (w sumie wciąż dość duże), ale nadrobi to zasięgiem i prędkością działania. Jest zaprojektowany do skanowania całego nocnego nieba, a nie do skupiania się na poszczególnych celach - wykorzystując największy na Ziemi aparat cyfrowy do rejestrowania kolorowych, poklatkowych filmów.

Według LSST Corporation, która wraz z Departamentem Energii USA i Narodową Fundacją Nauki buduje ten teleskop, "LSST dostarczy bezprecedensowych trójwymiarowych map rozkładu masy we Wszechświecie", co może rzucić światło na tajemniczą ciemną energię, która napędza przyspieszającą ekspansję kosmosu. Pozwoli to również na przeprowadzenie pełnego spisu inwentarza naszego własnego Układu Słonecznego, w tym potencjalnie niebezpiecznych asteroid o rozmiarach nawet 100 m. Rozruch machiny zaplanowano na 2022 r.

Uszy większe niż oczy

Jedno z najbardziej rozpoznawalnych naziemnych urządzeń astronomicznych na świecie działa od 1963 r. w pobliżu Arecibo w Portoryko. Chodzi o radioteleskop o średnicy anteny wynoszącej 305 m, czyli znacznie większej niż lustro jakiegokolwiek istniejącego czy planowanego teleskopu optycznego, składającej się z prawie 40 tys. aluminiowych paneli.

Konstrukcję wykorzystuje w swoich badaniach radioastronomicznych, atmosferycznych i radarowych kilka instytucji: Cornell University, SRI International, USRA oraz Metropolitan University w Portoryko, we współpracy z National Science Foundation. Dostęp do teleskopu jest udzielany jednostkom naukowym na podstawie podań rozpatrywanych przez niezależną komisję. Od roku 1963 do 2016 r. radioteleskop miał największą pojedynczą czaszę na świecie. Dopiero w 2016 r. powstał większy od niego radioteleskop FAST w Chinach.

Kształt czaszy w Arecibo jest sferyczny (a nie, jak w przypadku większości radioteleskopów, paraboliczny). Wynika to ze sposobu nakierowywania radioteleskopu na sygnał - czasza jest nieruchoma, a przemieszczany jest odbiornik. Sam odbiornik umieszczono na 900-tonowej konstrukcji, zawieszonej na wysokości 150 m na osiemnastu kablach podczepionych do trzech żelbetowych słupów. Druga oraz trzecia czasza skupiają odbite fale na antenie. Mobilność odbiornika umożliwia nakierowywanie radioteleskopu na dowolny punkt w stożku o rozwartości 40 stopni wokół zenitu.

Radioteleskop w Arecibo pozwolił dokonać wielu znanych odkryć naukowych. Dzięki niemu:

• 7 kwietnia 1964 r. - czyli niecałe pół roku po uruchomieniu - zaobserwowano, że Merkury wykonuje obrót wokół Słońca nie w 88, a w 59 dni;
• w 1968 r. odkrycie okresowych (33 ms) impulsów radiowych z Mgławicy Kraba przyniosło pierwszy dowód istnienia gwiazd neutronowych;
• w 1974 r. Russell Alan Hulse i Joseph Hooton Taylor odkryli pierwszy podwójny układ pulsarów i przy jego pomocy potwierdzili obserwacyjnie poprawność teorii względności - za co dostali później Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki;
• w 1990 r. polski astronom Aleksander Wolszczan zmierzył okresy oscylacji pulsara PSR 1257+12, co pozwoliło mu odkryć krążące wokół niego trzy pierwsze planety pozasłoneczne;
• w styczniu 2008 r., dzięki obserwacji spektroskopii radiowej, w galaktyce Arp 220 wykryto prebiotyczne cząsteczki metaminy i cyjanowodoru.

Jedno z największych naziemnych narzędzi astronomicznych tworzą anteny radiowe układu Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA). Znajdują się na płaskowyżu Chajnantor w Chilijskich Andach, na wysokości ponad 5 tys. m n.p.m. Obserwatorium jest położone tak wysoko, że pracujący w nim astronomowie muszą korzystać z masek tlenowych. W jego skład wchodzi 66 precyzyjnie wykonanych radioteleskopów o średnicach czasz 12 i 7 m. ALMA należy do zespołu Event Horizon, który "zobaczył" ostatnio czarną dziurę.

ALMA pracuje w zakresie 31,3-950 GHz. Charakteryzuje się dużo wyższą czułością i zdolnością rozdzielczą od istniejących teleskopów pracujących w zakresie fal submilimetrowych, takich jak Teleskop Jamesa Clerka Maxwella, czy inne sieci radioteleskopów, w rodzaju Submillimeter Array (SMA) oraz IRAM Plateau de Bure.

Promieniowanie o tej długości fali pochodzi często z najchłodniejszych i najodleglejszych obiektów kosmosu - m.in. z obłoków gazu i pyłu, w których rodzą się nowe gwiazdy, oraz z odległych galaktyk na granicy obserwowalnego Wszechświata. Kosmos w tych długościach fal nie był do tej pory dokładnie zbadany, ponieważ do wykonania wartościowych obserwacji potrzeba instrumentów rozlokowanych w miejscu, które gwarantuje nie tylko dobre warunki pogodowe dla obserwacji, ale również bardzo niską wilgotność powietrza.

8. Wizualizacja Square Kilometre Array w Zachodniej Australii

Od lat planowana jest sieć radioteleskopów o całkowitej powierzchni 1 km² - Square Kilometre Array (SKA). Zostanie zbudowana na półkuli południowej, w Republice Południowej Afryki i Australii (8), gdzie obserwacje Drogi Mlecznej są najprostsze i gdzie interferencja elektromagnetyczna jest najmniejsza. Ma to być ponad 100 tys. anten o niskiej częstotliwości, rozmieszczonych w Australii, i setki anten w Republice Południowej Afryki. Gdy uda się ten zestaw skompletować, SKA stanie się królem radioteleskopów, o 50 razy większej czułości niż jakikolwiek radioteleskop kiedykolwiek zbudowany. Taka moc mogłaby badać sygnały z Wszechświata sprzed 12 mld lat! Kompleks będzie działać w zakresie częstotliwości od 70 MHz do 10 GHz.

- Przygotowujemy grunt pod budowę w Australii 132 tys. anten SKA o niskiej częstotliwości - informował media Antony Schinckel, dyrektor konsorcjum infrastruktury CSIRO SKA, czyli australijskiej agencji naukowej kierującej australijską stroną projektu.

- Przepływ danych będzie sięgał skali petabitów, czyli miliona miliardów bitów na sekundę, a więc więcej niż wynosi dziś globalna przepustowość Internetu. Wszystko to popłynie do jednego budynku.

Inwestycja wymaga specjalnej infrastruktury, w tym położenia 65 tys. kabli światłowodowych, służących do przesyłania danych z anten do superkomputerowych urządzeń SKA.

Oczekuje się, że całość będzie zdolna do działania do roku 2030. Obserwatorium jest budowane przez międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wchodzą Australia, Wielka Brytania, Kanada, Chiny, Indie,Włochy, Nowa Zelandia, Szwecja i Holandia, a także Botswana, Ghana, Kenia, Madagaskar, Mauritius, Mozambik, Namibia i Zambia.

W ubiegłym roku w lipcu w RPA oddano do użytku sieć radioteleskopową MeerKAT, czyli zespół 64 anten w półpustynnym regionie Karoo. Każda antena ma średnicę 13,5 m, a razem pracują jako pojedynczy, gigantyczny teleskop przeznaczony do zbierania sygnałów radiowych z kosmosu. W przyszłości stanie się on częścią wspomnianej międzykontynentalnej matrycy Square Kilometre Array. Po uruchomieniu MeerKAT naukowcy połączyli już z siecią potężny teleskop optyczny MeerLITCH, aby umożliwić jednoczesne optyczne i radiowe badanie zdarzeń kosmicznych.

- Słuchamy i patrzymy na niebo w tym samym czasie, to światowa nowość - powiedział agencji AFP Paul Groot z Uniwersytetu im. Radbouda w Holandii.

Wspomniany wcześniej gigantyczny teleskop radiowy FAST (9), zbudowany przez Chiny w prowincji Guizhou, ma pięćsetmetrowy teleskop sferyczny, o średnicy czaszy w przybliżeniu równej trzydziestu boiskom piłkarskim. Podobnie jak radioteleskop w Arecibo, wyposażono go w nieruchomą główną antenę i przesuwane nad jej czaszą czujniki fal, dzięki którym może badać obiekty niebędące w zenicie - przy czym potrafi analizować obiekty dalsze od zenitu niż urządzenie w Arecibo.

9. Radioteleskop FAST w Chinach

FAST pracuje w zakresie 0,7-3 GHz. Celem badań radioteleskopu są skupiska neutralnego wodoru znajdujące się na Drodze Mlecznej i w innych galaktykach, wykrywanie pulsarów (zarówno w naszej Galaktyce, jak i poza nią), badanie molekuł w przestrzeni międzygwiezdnej, poszukiwanie gwiazd zmiennych oraz szukanie życia pozaziemskiego (w ramach programu SETI). Oczekuje się, że FAST byłby w stanie wykryć transmisje sygnałów obcych cywilizacji dochodzące z odległości ponad 1 tys. lat świetlnych.

Uruchomienie FAST ma nastąpić do końca 2019 r. Chiny zatwierdziły jednak niedawno plan budowy kolejnego, jeszcze większego radioteleskopu. Rozpoczęcie jego pracy przewidziano na rok 2023.

Kosmiczny wzrok słabnie

O teleskopach kosmicznych pisaliśmy niedawno w oddzielnym raporcie, przy okazji końca działalności teleskopu Keplera. Od tego czasu wydarzyło się kilka awarii, które spowodowały, że naukowcy, zwłaszcza w USA, martwią się o swoje "oczy w kosmosie". Teleskopy kosmiczne, których era rozpoczęła się w 1990 r., starzeją się, jeśli nie są już nieczynne lub zepsute. I nie ma środków, ani wielkiej woli politycznej, aby je zastąpić.

Program obserwatoriów umieszczanych bezpośrednio w kosmosie powstał w latach 70. i 80. Składały się nań cztery wielkie misje teleskopowe, obejmujące całe spektrum światła w przestrzeni kosmicznej.

Compton Gamma Ray Observatory służyło do przechwytywania najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie.

Kosmiczny Teleskop Spitzera wykorzystywano do poszukiwania promieniowania podczerwonego z egzoplanet i nowonarodzonych gwiazd.

Obserwatorium Rentgenowskie Chandra mogło badać głębokość czarnych dziur oraz odkrytych dowodów na ciemną materię i ciemną energię. Klejnot koronny programu stanowił oczywiście pracujący w zakresie światła widzialnego i ultrafioletu Kosmiczny Teleskop Hubble’a.

Teleskop Comptona przestał działać w 2000 r., kiedy to problem z jego żyroskopem, umożliwiającym obracanie się teleskopu, doprowadził do uziemienia urządzenia. Spitzer powoli oddala się od Ziemi i zakończy swoją misję, gdy w przyszłym roku straci kontakt z centrum dowodzenia. Ta strata była oczekiwana, ale trudności z Hubble’em i Chandrą, które pojawiły się na przełomie roku, były niespodziewanymi ciosami od losu.

Co prawda Chandra wrócił do sieci kilka dni po tym, jak awaria w jednym z żyroskopów zmusiła teleskop do przejścia w tryb bezpieczny, udało się też uporać z problemami Hubble’a, ale wielu uczonym w USA zapaliła się lampka ostrzegawcza. Poczuli, że urządzenia te nie są wieczne, a na bliskim horyzoncie nie ma dziś niczego, co mogłoby skutecznie kosmiczną infrastrukturę astronomiczną zastąpić.

Flagowym projektem obserwatorium kosmicznego NASA w budowie jest Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), ale uruchomienie tego kosztującego 10 mld dolarów urządzenia ciągle jest przekładane w czasie - z powodu błędów projektowych lub wynikających z obsługi inwestycji. Niedawno NASA ogłosiła, że Webb zostanie wystrzelony najwcześniej w 2021 r.

Nawet jeśli to się w końcu uda, to JWST oferuje jedynie obserwacje w zakresie podczerwieni. Perspektywy badań nad innymi częściami widma światła są w najlepszym razie niewyraźne. Nie wiadomo, co miałoby zastąpić teleskop Hubble’a.

NASA nie ma też w planach żadnych dużych obserwatoriów rentgenowskich gotowych kontynuować misję Chandry. Niejako na miejsce Comptona pojawił się mniejszy teleskop Fermi, jednak ma on już dziesięć lat, co oznacza, że o całe pięć przekroczył swój zakładany czas działania. Oczekuje się więc, że Hubble pozostanie na orbicie co najmniej do 2027 r., a być może nawet dłużej, aby dotrwać do chwili, gdy JWST znajdzie się w końcu w kosmosie.

Na szczęście inne krajowe agencje kosmiczne też pracują nad podobnymi programami, ale ich realizacja również trochę jeszcze potrwa. Europejska Agencja Kosmiczna konstruuje Obserwatorium Rentgenowskie ATHENA, które zostanie uruchomione w latach 30.

Chiny ogłosiły w 2016 r., że zbudują własny teleskop optyczny o polu widzenia trzysta razy większym niż pole widzenia Hubble’a. Nie wiadomo jednak, kiedy. W kosmosie za to mamy już sieć skromniejszych "małych i średnich odkrywców", którzy kosztują znacznie mniej niż duże projekty. Należy do nich niedawno wystrzelony Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), mający na celu poszukiwanie nieznanych światów wokół pobliskich gwiazd.

O tym, jakie teleskopy powstaną i zostaną wysłane w kosmos w dłuższej perspektywie, zadecyduje w USA tzw. przegląd dekadalny NASA, zaplanowany na rok 2020 r. Rozpatrywana w nim będzie m.in. możliwość realizacji projektu Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), z lustrem o średnicy 15 m. Uważa się go za udoskonaloną wersję teleskopu Hubble’a. Podobnie jak Hubble, instrument ten obserwowałby Wszechświat w ultrafiolecie, podczerwieni i długości fal światła widzialnego.

Kolejnym branym pod uwagę projektem jest Habitable Exoplanet Observatory (HabEx). Ma zapewnić obserwację potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet wokół gwiazd podobnych do słonecznych. HabEx wykorzystałby duży koronograf (starshade) w kształcie gwiazdy (10), mający za zadanie zablokowanie gwiezdnego światła, pozwalając tym samym teleskopowi na badanie egzoplanet w niespotykanych dotąd szczegółach.

10. Wizualizacja działania kosmicznego koronografu (starshade)

Potencjalnym następcą Chandry jest Lynx, proponowany teleskop kosmiczny, który odkryłby "niewidzialny" kosmos w zakresie wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. Wreszcie istnieje też projekt Origins Space Telescope - obserwatorium w dalekiej podczerwieni, które przeniknęłoby przez chmury pyłu, aby uzyskać jasny widok gwiazd i egzoplanet w regionach tworzenia gwiazd.

Można by je uznać za następną generacyjną wersję Kosmicznego Obserwatorium Herschela, czyli europejskiej misji, która obserwowała Wszechświat w podczerwieni przez cztery lata i została zakończona w 2013 r.

Doskonalenie detektorów fal grawitacyjnych

Detektory fal grawitacyjnych LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i Virgo w kwietniu wznowiły po przerwie polowanie na zmarszczki czasoprzestrzeni, czyli fale grawitacyjne.

Nasz zmysł kosmicznego dotyku znów poczuje pewnie kolejne wibracje.

- W nadchodzącym cyklu obserwacyjnym spodziewamy się dziesiątek wydarzeń - powiedział prof. Christopher Berry, z Uniwersytetu Northwestern w USA.- Nowe dane mogłyby radykalnie zmienić to, co wiemy o populacji czarnych dziur.

Detektory zmierzyły do tej pory dziesięć przypadków zderzeń czarnych dziur i jeden przypadek kolizji dwóch gwiazd neutronowych - niewiarygodnie gęstych obiektów zbliżonych do masy Słońca, ale wielkości najwyżej małego miasta. W tej chwili samo wyczuwanie fal grawitacyjnych nie jest już jednak najbardziej interesującym celem. Obecnie detektory służą zasadniczo temu samemu, co teleskopy, ale zamiast światła mierzą grawitację.

W lutym tego roku amerykańskie i brytyjskie instytucje ogłosiły, że wykrywacz fal grawitacyjnych LIGO zostanie w przyszłości znacząco udoskonalony.

Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki przeznaczy na projekt Advanced LIGO Plus (ALIGO+) 20,4 mln dolarów, a UK Research dołoży kolejnych 13,7 mln. Wkład finansowy zapewni też Australia. Rozbudowa będzie dotyczyła obu miejsc, w których znajduje się LIGO. W jej ramach urządzenie wzbogaci się m.in. o 300-metrowej długości komorę próżniową, która pozwoli manipulować właściwościami laserów wykorzystywanych w wykrywaczu oraz zmniejszyć poziom zakłóceń z tła.

LIGO składa się z dwóch interferometrów w kształcie litery L. Jeden z nich znajduje się w Hanford w stanie Waszyngton, drugi zaś w Livingston z Luizjanie. Oba interferometry mają po 4 km długości. LIGO pracowało w latach 2002-2010, następnie zostało zamknięte na czas rozbudowy i ponownie ruszyło w roku 2015. Wkrótce potem dokonano dzięki niemu słynnego odkrycia fal grawitacyjnych. Od tamtego czasu obserwatorium przechodziło mniejsze rozbudowy, dzięki którym jego czułość zwiększono o ok. 50%.

ALIGO+ będzie znacznie sprawniejszym instrumentem niż instalacja wykorzystywana do tej pory. Jak się szacuje, dzięki doskonaleniu techniki detekcji do roku 2022 detektor ma rejestrować kilka wydarzeń grawitacyjnych dziennie.

Rozbudowa zwiększy nie tylko częstotliwość, ale i jakość obserwacji. Dzięki np. redukcji poziomu szumów naukowcy będą w stanie określić, jak czarne dziury obracały się przed połączeniem. Obecnie nie jesteśmy w stanie wykonywać takich obserwacji. Komora próżniowa pozwoli na zredukowanie ciśnienia wywieranego na lustra oraz zmniejszenie fluktuacji fotonów. Ponadto lustra zyskają nową powłokę, która powinna czterokrotnie zmniejszyć szum termiczny. Pierwsze prace prowadzone w ramach ALIGO+ powinny ruszyć ok. 2023 r.

11. Porównanie rozmiarów zwierciadeł istniejących i planowanych teleskopów

Planowana jest również budowa kosmicznego detektora fal grawitacyjnych LISA Pathfinder. Jest to jednak bardziej odległa przyszłość - najwcześniej lata 30.

***

Wielkie odkrycia, których dokonaliśmy dzięki coraz potężniejszym instrumentom astronomicznym, zachęcają nas do budowy kolejnych, jeszcze silniejszych i czulszych obserwatoriów (11). Jeśli na razie nie możemy polecieć w odległe zakątki kosmosu, to przynajmniej próbujemy możliwie najwnikliwiej w nie zajrzeć. Mamy nadzieję, że nasze kosmiczne zmysły podpowiedzą nam, gdzie warto się udać, gdy już zdobędziemy techniczne możliwości szybkich i dalekich kosmicznych podróży.

Mirosław Usidus