Ikona szukaj

Teleskop na biegunie południowym?

Parafrazując słowa Douglasa Adamsa z kultowej powieści "autostopem przez galaktykę": patrząc w niebo poszukujemy odpowiedzi na wielkie pytania, pytania na temat życia, wszechświata i w ogóle wszystkiego. W przeszłości odpowiedzi na te pytania przybierały postać bogów i mitów. Dziś ich miejsce zajęły modele naukowe oraz równania matematyczne. Zadając sobie dzisiaj pytanie o początek wszechświata, astrofizycy wspólnie wskazują teorię "Wielkiego Wybuchu", tłumaczącą obserwowane zjawiska. Ponadto, model ten przeszedł pozytywnie każdy test, któremu został poddany w celu jego potwierdzenia lub obalenia. Jednakże, nie znaczy to, że koncepcja ta jest kompletna i tłumaczy wszystkie obserwacje. Jedną z największych aktualnych zagadek astrofizyki jest to, z czego nasz wszechświat tak naprawdę się składa. Wszystko co widzimy stanowi zaledwie ok 5% całości, a 27% to tzw. Ciemna Materia - nazwana tak ponieważ, w żaden sposób nie oddziałuje ze światłem. Większość, bo aż 68% tworzy tzw. Ciemna Energia, uznana za główny czynnik wpływający na rozszerzanie się wszechświata oraz formowanie galaktyk i ich gromad. Jednak ostatecznie nie mamy pojęcia czym może być.

South Pole Telescope (SPT) jest próbą znalezienia odpowiedzi na kilka pytań w temacie Ciemnej Energii oraz jej wpływu na formowanie się gromad galaktyk. Dotyczy to zarówno bardzo odległej przeszłości naszego wszechświata jak i teraźniejszości. Wstępnie wybudowano teleskop w Teksasie, a następnie przeniesiono go na Biegun Południowy. Teleskop wyposażony w dziesięciometrowe lustro pozwala skupić światło w odległości siedmiu metrów od powierzchni, gdzie umieszczono wyjątkowe w swojej konstrukcji czujniki. Zanim światło jednak dotrze do samych czujników musi pokonać komorę próżniową oraz odbić się od mieszczącego się w niej metrowego zwierciadła. Wszystko to odbywa się w temperaturze 10 K (-263.15 ˚C), aby wyeliminować wszelkie dodatkowe promieniowanie, zakłócające pomiary. Sam detektor składa się z tysiąca czujników tworzących w przybliżeniu okrąg wpisany w sześciokąt. Każdy trójkątny obszar tego sześciokąta dodatkowo można dostroić za pomocą specjalnych filtrów, aby odbierał inną długość fali świetlnej. Cały detektor utrzymywany jest w temperaturze 0,5 K. Uzyskanie i podtrzymanie tak niskiej temperatury jest dużym wyzwaniem, więc nie robi się tego bez realnej potrzeby. W szczególności taką potrzebą, jak również w tym przypadku, jest wykorzystanie zjawiska nadprzewodnictwa. Jest to wyjątkowa cecha niektórych materiałów, która powoduje przewodzenie prąd elektryczny bez strat energii, ale tylko w odpowiednio niskiej temperaturze. Wartością graniczną nadprzewodnictwa materiału wykorzystanego w czujnikach jest temperatura 0,5 K. Powoduje to, że każda minimalna zmiana temperatury spowodowana przez padające na nie światło prowadzi do bardzo dużych zmian w rezystancji. Umożliwia to obserwacje nawet bardzo słabego (a co za tym idzie odległego) światła.

Początkowo wydawać by się mogło, że właśnie niskie temperatury są podstawą do budowy takiego teleskopu na Biegunie Południowym. Tymczasem, uzyskanie temperatur bliskich zeru absolutnemu jest równie trudne na biegunie jak i w Teksasie. Jedną z największych przeszkód w obserwacji promieniowania mikrofalowego jest para wodna. Tak jak woda lub para wodna w mikrofalówkach pochłania dużą część energii i podgrzewa danie, tak para wodna zawarta w atmosferze pochłania większą część mikrofalowego promieniowania tła (CMB - ang. cosmic microwave background). Biegun Południowy znajduje się ponad dwa tysiące metrów nad poziomem morza, czyli ponad wysokością większości chmur. Co więcej, niska temperatura dodatkowo utrudnia gromadzenie się wilgoci. W rezultacie, Biegun Południowy stwarza idealne warunki dla teleskopów przeznaczonych do tego typu obserwacji.

Jak pisałem wcześniej South Pole Telescope poprzez badanie promieniowania reliktowego poszukuje gromad galaktyk. Analiza gromad powstających w różnych epokach wszechświata może odpowiedzieć na pytanie jaki wpływ na cały proces miała Ciemna Energia. Jak jednak obserwacja mikrofalowego promieniowania tła, będącą poświatą pozostałą po Wielkim Wybuchu, może cokolwiek nam powiedzieć na temat formowania się gromad galaktyk miliardy lat później? Odpowiedzią jest opracowany i nazwany na cześć odkrywców efekt Siuniajewa-Zeldowicza. Efekt zachodzący w wyniku rozpraszania fotonów kosmicznego promieniowania tła, a wskutek tego, fotony uzyskują dodatkową energię. Do rozproszenia ok. 1% promieniowania dochodzi gdy fotony z promieniowania reliktowego przechodzą przez gromadę galaktyk i zderzają się z wysokoenergetycznymi fotonami pochodzącymi z gwiazd. Właśnie te minimalne zakłócenia są wychwytywane przez South Pole Telescope.

Jesteśmy przedstawicielami młodego gatunku, którego cywilizacja sięga około kilkunastu tysięcy lat, na niewielkiej planecie, krążącej wokół bardzo typowej gwiazdy. Kiedyś patrząc w niebo dostrzegliśmy boskość i tajemnice. Dziś wykorzystujemy szczytowe osiągnięcia technologii oraz praktycznie wszystkie dziedziny fizyki, aby rozwiązać te tajemnice i zrozumieć mechanizmy rządzące wszechświatem.

Źródło:

07.01.2021

Łukasz

©Planeta Mars 2021