Останніми роками одним із найбільших постачальників новин з глибин космосу є південноамериканський радіотелескоп ALMA. Це дивна конструкція з 66 окремих достатньо невеликих антен, які всі разом здатні побачити те, що не можуть показати навіть набагато більші астрономічні інструменти. Але як і навіщо її збудували?
Радіотелескоп у пустелі Атакама
Уявіть собі віддалене високогірне плато в Чилійських Андах високо над густими тропічними лісами. Серед голого каміння стирчать чудернацькі конструкції, які інколи синхронно повертаються в певному напрямку. І через ці таємничі пристрої в комп’ютери посвячених тече інформація безпосередньо з космосу.
Ні, це не синопсис нового фантастичного роману Макса Кідрука. Так можна було б описати Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, або ж ALMA. Це цілком реальний радіоастрономічний інструмент, розташований у Чилі, за допомогою якого науковці регулярно здійснюють відкриття. Жодної містики в ньому немає, але розповісти можна багато цікавого.
Формально ALMA можна назвати просто радіотелескопом. Але насправді це 66 окремих антен, які працюють як єдине ціле. І вони мають свою власну історію. Почати її треба з нагадування про те, що електромагнітний спектр не обмежується його видимою частиною. В один бік від неї йдуть коротші хвилі: ультрафіолет, рентгенівське та радіовипромінювання, а в інший — довші: інфрачервоний та радіодіапазон.
При цьому використовувати їх для дослідження космосу люди почали лише в 1940-х роках. Виявилося, що якщо зібрати радіохвилі за допомогою параболічної поверхні з великої площі та спрямувати їх на приймач, то можна побачити зображення космічних об’єктів, які часто не видно в оптичні телескопи.
Оскільки таку поверхню можна зробити значно більшою, ніж лінза чи дзеркало, а отриманий сигнал — підсилити, можна збирати дані навіть про дуже віддалені чи розріджені структури, від яких до нас долітає усього кілька фотонів. Щобільше, виявилося, що чимало об’єктів максимум свого випромінювання мають саме за межами видимого спектра.
Радіотелескопи стали швидко зростати у розмірах, збільшувалася і їхня чутливість. Однак в якийсь момент виявилося, що по розмірах, що вимірюються сотнями метрів, гравітація починає вносити свої корективи. Навіть «тарілки», які самі не рухаються, доводилося робити у природних западинах, бо жодні підтримувальні конструкції вже не могли запобігти їхньому викривленню та руйнуванню під дією сили тяжіння.
Чому в пустелі вирішили будувати інтерферометр
Десь у 1980-х роках радіоастрономи зрозуміли, що майбутнє їхньої науки полягає в розвитку інтерферометрії. Ідея полягає в тому, що радіосигнал можна приймати не в одному місці, а в кількох, а потім об’єднувати отримані дані. При цьому, якщо в кожному окремому випадку використовувати невелику антену, то їхня сумарна площа буде набагато меншою, ніж потребував би один великий радіотелескоп.
Щобільше, навіть найменші відмінності в сигналі, який приймає кожна окрема станція, можуть містити додаткову інформацію про його джерело. Цей принцип називається інтерферометрією, і в ньому навіть просто відстань між двома приймачами, яка називається базою, працює на збільшення чутливості попри те, що жодних радіочутливих елементів там немає.
Особливо науковців цікавили міліметровий та субміліметровий діапазони. Це діапазони електромагнітних хвиль, довжина яких значно менша, ніж у видимого світла, а самі вони лежать десь на межі інфрачервоного та радіодіапазонів.
Радіохвилі на цих частотах випромінюються найбільш холодними об’єктами в космосі, такими як міжзоряні хмари та протопланетні диски, й саме тут є достатньо виражені піки органічних речовин. Та й газ, що наповнював Всесвіт на початку його існування, теж активно випромінював у тому ж діапазоні. Також ці хвилі легко проходять крізь скупчення пилу в космосі.
Переваг у міліметрового / субміліметрового діапазону було багато. Але був один великий мінус: його надто вже сильно поглинає водяна пара у земній атмосфері. Тож будувати інтерферометр треба було там, де її практично немає. І таке місце на Землі знайшлося. Мова про високогірну пустелю Атакама в Південній Америці. Тут і повітря розріджене, і дощі випадають вкрай рідко.
Будівництво телескопа
Власне, через це Атакама взагалі є одним з найкращих на Землі місць для розташування астрономічних приладів. Саме тут розташовані й найбільші оптичні телескопи нашої планети. Однак для створення інтерферометра міліметрового діапазону знадобилося справді сухе місце.
Таким виявилося плато Чайнантор на самому кордоні з Болівією. Його особливістю є те, що воно розташоване на висоті 5000 м, і за рік тут в середньому випадає лише 100 мм опадів. Загалом воно більше нагадує Марс, ніж Землю. І саме тут вирішили розпочати будівництво.
Однак що саме будувати, залишалося незрозумілим. Європейські та американські астрономи розробили кілька різних проєктів інтерферометрів, які потрібно було об’єднати в один. Це вдалося лише 1999 року, коли майбутній комплекс отримав назву ALMA. Проте переговори на цьому не завершилися: японські астрономи мали власний проєкт.
Зрештою, у 2004 році всі сторони дійшли згоди, і розпочалося будівництво телескопа. Щоправда, спершу, у 2005 році, на плато Чайнантор звели випробувальну установку — окрему 12-метрову антену Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Від неї не очікували значних наукових результатів: головним завданням було перевірити ефективність конструкції антени. Із цим вона успішно впоралася.
Проєкт ALMA складався з 50 таких 12-метрових антен і ще 16 7-метрових. Їх і почали зводити надалі. Причому це було непростим завданням, адже саме місце будівництва є достатньо віддаленою від цивілізації місцевістю.
Окремі антени збирали у базовому таборі, що розташовувався на висоті 2900 м. Кожна з них важила 115 т, і для їхнього перевезення були побудовані спеціальні багатоколісні транспортери. Вони перевозили антени пустельними схилами на місце монтажу. Тривало це кілька років, але 2013-го телескоп уже був готовий до роботи.
Що відкрили за допомогою радіотелескопа ALMA
Найважливіша галузь, в якій радіотелескоп ALMA отримував і продовжує отримувати наукові дані — це планетоутворення. Нещодавно науковці тільки припускали, що планети утворюються в газопилових дисках. Але у 2014 році саме чилійський радіоінтерферометр зміг це підтвердити безпосередньо.
Науковці змогли не лише отримати зображення протопланетного диска навколо молодої зорі HL Тельця, а й розгледіти у ньому проміжки. Їх залишають планети, що тільки формуються і тому активно поглинають матерію.
Учені були здивовані тим, наскільки рано починається процес планетоутворення і наскільки складним він є. Згодом ALMA спостерігав десятки протопланетних дисків, що дало змогу науковцям зібрати статистичні дані й почати формулювати гіпотези про закономірності процесів, які в них відбуваються.
З протопланетними дисками пов’язана й інша галузь, у якій ALMA дуже допоміг дослідникам: виявлення в космосі органічних речовин. За останні пару десятиліть стався справжній прорив, вчені не просто зрозуміли, що якась органіка є майже усюди в космосі, а й переконалися, що вона там дуже складна: фосфати, поліциклічні ароматичні вуглеводні, амінокислоти та азотисті основи.
Найважливіше ж те, що більша частина цих відкриттів відбулася саме завдяки ALMA. Адже спектрограми у міліметровому діапазоні добре все це показують. Крім того, у протопланетних дисках таким способом вдалося виявити воду.
При цьому відкриття органічних сполук відбувається не лише у протопланетних дисках. ALMA знайшов їх і в холодних міжзоряних хмарах, з яких утворюються зоряні системи. До того ж інтерферометр може проводити картографування.
А у віддалених галактиках ALMA вдалося виявити кисень. Зокрема, у галактиці MACS1149-JD1, яку ми бачимо такою, якою вона була лише через 500 млн років після Великого вибуху. Оскільки в ній уже є кисень, це означає, що перше покоління зір мало встигнути завершити своє життя, вивільнивши цей елемент у навколишній простір.
Південноамериканський радіоінтерферометр багато чого з’ясував про формування галактик, зокрема, дозволив дослідити рух речовини в них і те, як він впливає на формування нових поколінь зір.
Ще одним важливим досягненням стала участь ALMA в колаборації з Телескопом горизонту подій. Саме дані ALMA відіграли ключову роль в отриманні першого в історії зображення надмасивної чорної діри в галактиці М87, а згодом — і чорної діри в центрі нашої Галактики.
Загалом можна сказати, що ALMA зробив неймовірний внесок у наші знання про Всесвіт. Він є одним з найголовніших астрономічних інструментів сучасності, і, схоже, що історія відкриттів, зроблених за його допомогою, лише починається.
