Az Egyesült Államok kontinentális területén, valamint Hawaiin és a karibi Virgin-szigeteken összesen tíz, egyenként 25 m-es átmérőjű rádiótávcsőből áll a VLBA (Very Long Baseline Array) nevű interferométeres hálózat, amelyet idén 30 éve avattak fel, és azóta is látványos eredményekkel szolgálja a tudományt – sőt a mindennapi életünket is!
Több kis távcsőből egy óriás
A csillagászati műszereink felbontóképessége egyenesen arányos az észlelt elektromágneses sugárzás hullámhosszával, valamint fordítottan arányos távcső gyűjtőfelületének (vagy nyílásának) az átmérőjével. Magyarul, egyszerűen szólva: egy adott hullámsávban minél nagyobb távcsövet építünk, annál finomabb felbontást tudunk elérni vele (az optikai távcsöveknél azért a turbulens légkör is közbeszólhat, de ez már egy másik cikk témája lehetne). A hullámhosszak miatt azonban a rádiócsillagászok igen nagy hátránnyal indulnak az optikai távcsöveket használó kollégáikkal folyó (képzeletbeli) versenyben, hiszen a látható fényénél a rádióhullámok sok nagyságrenddel nagyobb hullámhosszúak. Ahhoz tehát, hogy ugyanolyan felbontású méréseket végezhessenek, ugyanannyiszor nagyobb műszereket kellene építeniük. Ez azonban első pillantásra lehetetlen vállalkozásnak tűnik. Bár a világ legnagyobb paraboloid gyűjtőfelületű, forgatható rádióteleszkópjainak átmérője 100 m körüli, még ezekkel a hatalmas műszerekkel is csak olyan felbontást lehet elérni cm-es hullámhosszakon, mint amilyenre az emberi szem képes a látható fényben!
A problémára született megoldás az apertúraszintézis, amelyet az 1960-as években Martin Ryle fejlesztett ki Cambridge-ben, és 1974-ben megosztott fizikai Nobel-díjat kapott érte. A módszer lényege, hogy több rádiótávcsővel egyszerre végzett mérések interferométeres elven történő kombinálásával meg lehet növelni a felbontást – akkorára, mint az egyes teleszkópok közötti legnagyobb távolság (ún. alapvonal vagy bázisvonal). Az 1960-as évek végére már azt is sikerült megoldani, hogy az antennákat ne kössék közvetlenül össze a számítóközponttal. A mágnesszalagokra rögzített jelek visszajátszásával – és persze az állomásokon elhelyezett, elegendően pontos atomórák ugyancsak rögzített időjelei segítségével – utólag is elő lehetett állítani az interferenciát. Elindult „hódító útjára” a VLBI (angolul very long baseline interferometry, vagyis nagyon hosszú bázisvonalú interferometria) módszere. A rádiótávcsöveket egymástól sok száz vagy ezer km-es távolságokba telepítve, akár az egész Földével vetekedő méretű virtuális teleszkóp állítható elő, amelynek a felbontása még túl is szárnyalja a legjobb optikai távcsövekét. Később Föld körüli pályára is kerültek rádióteleszkópok, amelyek bevonásával immár a Föld átmérőjének a többszörösére sikerült növelni az elérhető bázisvonalakat (ez az űr-VLBI).
VLBI-mérések, új szintre emelve
A VLBI módszerével a csillagászok olyan égitesteket tudnak páratlanul finom felbontással vizsgálni, amelyek rendkívül kis térrészből igen nagy teljesítménnyel sugároznak a rádiótartományban. Ilyenek jellemzően a távoli aktív galaxismagok, amelyek közepén egy szupernagy tömegű fekete lyuk anyagot fog be a környezetéből. Egyes esetekben az anyag egy része a fényéhez közeli sebességre felgyorsítva elhagyja a „tett színhelyét” – az ilyen kidobódó plazmanyalábok erősen rádiósugárzók. Csillagkeletkezési területen vagy épp idős, külső rétegeik anyagát ledobó csillagok környezetében, molekulafelhőkben találhatók a mézerek, avagy „mikrohullámú lézerek”, amelyek intenzív, keskeny sávú rádiósugárzásuk révén szintén ideális VLBI-célpontok. De nem csak csillagászok, hanem a földtudósok is alkalmazzák a VLBI technikát. Őket elsősorban az érdekli, hogy a Föld bolygó hogyan helyezkedik el a távoli aktív galaxismagok (kvazárok) által kifeszített égi vonatkozatási rendszerben, vagyis időben hogyan változik Földünk forgástengelyének térbeli iránya és forgásának szögsebessége.
Kezdetben VLBI-megfigyeléseket olyan antennák bevonásával végeztek, amelyeknek mind megvolt a saját feladatuk, de működtető intézményeik időnként összefogtak, és együttes interferométeres kísérleteket hajtottak végre. Ezen műszerek méretei, műszaki tulajdonságai, üzemeltetői sokfélék lehettek. Még ma is ilyen alapon szerveződik a legtöbb VLBI-mérés, de az 1990-es években az amerikaiak gondoltak egy nagyot, és megépítettek egy hálózatot, amelynek kizárólagos feladata VLBI-mérések végzése lett. A rendszer a hét minden napján, a nap 24 órájában csak ilyesmin dolgozik. Antennái egyformák, egységesen 25 m átmérőjűek – vagyis nem tartoznak a legnagyobbak közé –, és egyetlen szervezet, az Egyesült Államok Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatóriuma (National Radio Astronomy Observatory, NRAO) működteti azokat.
A VLBA központja és a beérkező adatok kombinálását végző számítóközpont, a korrelátor Új-Mexikó államban, Socorro városában épült. Az ünnepélyes avatásra 1993 augusztusában került sor, de ahogy az lenni szokott, teszteket és méréseket már kicsivel korábban is végeztek a rádiótávcső-rendszerrel. Három évtized jelentős kor egy csúcstechnológiát alkalmazó csillagászati műszeregyüttes számára. Ez idő alatt számos fejlesztés, új megoldás tartotta mindmáig a rádiócsillagászati kutatások élvonalában a VLBA-t. A mágnesszalagos adathordozókat felváltották a merevlemezek, majd később a teleszkópok közvetlen, valós idejű széles sávú összeköttetése a központtal. Szélesebb frekvencialefedettséget nyújtó, egyre érzékenyebb vevőberendezések álltak munkába.
Nyitott égbolt
A VLBA tudományos sikerének egyik kulcsa, hogy az NRAO a világon bárki számára lehetővé teszi a hozzáférést a műszeregyütteshez. Ugyanilyen „nyitott égbolt” politikát folytat egyébként a legtöbb más, csillagászati méréseket végző VLBI hálózat Európában, Ázsiában vagy Ausztráliában. Kezdetben évente háromszor – újabban kétszer, február és augusztus első napján –, meghatározott határidőig lehet benyújtani megfigyelési javaslatokat. Ezekben meg kell győzni a szakmai bírálókat, hogy a várt tudományos eredmény érdekes, valamint a technikai megvalósítás lehetséges a hálózat képességeinek figyelembevételével. Miért jó ez? Azt talán könnyebb megérteni, hogy a felhasználóknak, nekünk itt Magyarországon – és más országokban, ahol nem áll rendelkezésre egy ilyen egyedi tudományos infrastruktúra – miért hasznos. Olyan adatokhoz juthatunk így, amilyenekről egyébként nem is álmodhatnánk. (Írásunk végén fel is villantunk néhány hazai vonatkozású, a VLBA-val elért eredményt a sok közül.) A VLBA számára pedig a megfigyelési időért folyó verseny és a túljelentkezés a garancia arra, hogy a legjobb ötleteket tudják megvalósítani, a legígéretesebb észleléseket elvégezni, amelyekből a legnagyobb hatású felfedezések is megszülethetnek. A nyílt hozzáférés természetes velejárója, hogy a javaslattevő kutatóknak igyekezniük kell, ha maguk akarják kiaknázni az új adatokban rejlő lehetőségeket. Nem ülhetnek sokáig a babérjaikon: attól kezdve, hogy megkapták adataikat, egy év elteltével minden bekerül a szabadon hozzáférhető archívumba, ahonnan bárki letöltheti, feldolgozhatja és elemezheti azokat. Az immár több mint három évtizedes archívum egyébként is tudományos kincsesbánya, hiszen alkalmanként olyan méréseket is lehet benne találni, amilyeneknek a más irányú alkalmazására eredetileg nem is gondoltak.
A VLBA hasznosítása
Csillagászati szempontból számos olyan kutatási témát lehet felsorolni, amelyekhez a VLBA adatait hasznosítják a kutatók. Ilyen például a kozmikus távolságmeghatározás a Tejútrendszeren belül és azon túl, a távoli aktív galaxismagok mint a világegyetem legnagyobb részecskegyorsítói működésének megértése, a galaktikus fekete lyukak és pulzárok mozgásának és eredetének vizsgálata, az égi vonatkoztatási rendszer folyamatos pontosítása, az azt kijelölő kvazárok rendszeres megfigyelése. Elsősorban ez utóbbiban érdekelt az Egyesült Államok Haditengerészeti Obszervatóriuma (U.S. Naval Observatory, USNO), akik jó néhány évvel ezelőtt fele részben beszálltak a VLBA üzemeltetésébe is, a rendelkezésre álló megfigyelési lehetőségek rájuk eső hányadát igénybe véve.
De miért érdeklik a hadsereget épp a kvazárok? A válaszhoz a mindenki által ismert és használt GPS (Global Positioning System) műholdrendszerig kell csak elmenni. A Föld körül kb. 20 ezer km magas pályákon, egyenletesen elosztva keringő műholdak rádiójeleket bocsátanak le, amelyek vételével a vevőberendezések – akár az okostelefonjainkban, autós navigációs eszközeinkben, de rengeteg más helyen is – pontosan meg tudják határozni az aktuális helyzetünket a műholdakéhoz képest. Hogy mennyire pontosan, az viszont attól is függ, mennyire ismerjük bolygónk forgását, vagyis a tengely pillanatnyi irányát és a nap hosszát. Maguk a műholdak ezekről „nem tudnak”, első közelítésben a Föld tömegközéppontja az, ami meghatározza keringésüket. A Föld forgási periódusában például egy ezredmásodpercnyi tévedés az Egyenlítő mentén közel fél méteres eltérést okoz a vevőberendezés helyzetében. Bolygónk forgásának apró változásait azonban hosszabb távon lehetetlen elméleti úton előre jelezni, így folyamatosan, szolgálatszerűen szükség van pontos VLBI-mérések végzésére a paraméterek meghatározása, a GPS működését is megalapozó adatok karbantartása érdekében.
Néhány „magyar” eredmény
A fenti alcímben az idézőjel nem csak azért indokolt, mert végső soron egy amerikai rádióteleszkóp-hálózat használata tette lehetővé az eredmények elérését, hanem azért is mert – ahogy napjaink csillagászatában általában, de VLBI témában különösen – a kutatások jellemzően nemzetközi együttműködésben, kisebb-nagyobb csoportok részvételével folynak. E sorok írójának teljesen szubjektív válogatása mi mással is kezdődhetne, mint vezető szerzőként élete első nemzetközi szakcikkének felidézésével. Ez az akkoriban igen távolinak számító, 3 és 4 körüli vöröseltolódású, különleges rádiókvazárok közül háromnak az 1995-ben végzett friss VLBA megfigyeléseiről számolt be. Nem sokkal később, 1996-ban – tehát még a VLBA „kisgyermekkorában” – készült az a nagyszabású felmérés, amelynek keretében a hálózattal belátható égbolt legfényesebb extragalaktikus rádióforrásait, összesen 374 darabot vettük sorra, rövid 5 GHz-es mérésekkel. Sokukat azelőtt még soha nem próbáltak detektálni ilyen nagy felbontásra képes interferométeres rendszerrel. A felmérés az akkor még készülőben levő – 1997-ben el is indított – japán űr-VLBI műholdas program előkészítését szolgálta, de a publikációt a mai napig is sokan idézik.
A nagyobb hatású további publikációk közül érdemes kiemelni egy frissebb, 2020-ban megjelent cikket, amelyben ugyancsak egy igen távoli aktív galaxismag, a J0906+6930 jelű blazár volt a célpont. Ennek az aktív galaxismagnak a rádiósugárzó plazmanyalábja majdnem pontosan a látóirányunkba mutat. Elsősorban 15 GHz-es VLBA méréseket felhasználva, polarizált rádiósugárzást is detektálva sikerült bepillantanunk a kvazár néhányszor tíz fényévnyi kiterjedésű belső régiójába, és megmutatnunk, hogy a plazmanyaláb iránya eltérül a sűrű csillagközi anyaggal való kölcsönhatása eredményeképp. (A témáról magyar nyelven itt lehet bővebben olvasni.) De magyar közreműködéssel folyt még aktív galaxismagok égboltfelmérése a más nagy nemzetközi VLBI hálózatoknál nem elérhető magas, 43 és 86 GHz-es frekvenciákon, és vizsgáltunk gyaníthatóan kettős kvazárokat, ahol a komponensek térbeli felbontására a VLBI módszer kínálja az egyetlen közvetlen megfigyelési lehetőséget.
Tucatszám lehetne még sorolni akár csak a magyar vezetéssel vagy részvétellel elért eredményeket, nem is említve a világszerte végzett élvonalbeli kutatásokat. Ami a műszeregyüttes jövőjét illeti, ha nem is fog fennmaradni ebben a formájában még 30 évig, valójában az azt használó rádiócsillagász közösség izgalmas jövő elé néz. Az NRAO ugyanis megkezdte a következő generációs, cm-es és mm-es hullámhosszon működő interferométeres hálózatának (Next Generation Very Large Array, ngVLA) fejlesztését. A várhatóan a 2030-as évekre elkészülő ngVLA hosszú bázisvonalai pedig végül átveszik a jelenlegi hálózat szerepét, miközben a rendszer érzékenysége és képalkotási képességei tovább javulnak.
Kutatócsoportunknak az aktív galaxismagokkal kapcsolatos VLBI vizsgálatait a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (OTKA K134213 projekt) támogatja.
Kapcsolódó link:
VLBA honlap (NRAO)
https://public.nrao.edu/telescopes/vlba/
A VLBI 30 éve feszegeti a tudomány határait (NRAO közlemény)
https://public.nrao.edu/news/vlba-marks-30-years-pushing-the-bounds-of-science/
Kapcsolódó cikkek:
Frey S. és munkatársai (1997): High resolution radio imaging of the extremely distant quasars 1251-407, 1351-018, 1354-174 and 1508+572. Astronomy & Astrophysics, Vol. 325, 511
Fomalont E.B. és munkatársai (2000): The VSOP 5 GHz Continuum Survey: The Prelaunch VLBA Observations. Astrophysical Journal Supplement Series, Vol. 131, 95
An T. és munkatársai (2020): Evolving parsec-scale radio structure in the most distant blazar known. Nature Communications, Vol. 11, 143
Cheng X.-P. és munkatársai (2018): The Most Compact Bright Radio-loud AGNs. II. VLBA Observations of 10 Sources at 43 and 86 GHz. Astrophysical Journal Supplement Series, Vol. 234, 17
Cheng X.-P. és munkatársai (2020): Compact Bright Radio-loud AGNs. III. A Large VLBA Survey at 43 GHz. Astrophysical Journal Supplement Series, Vol. 247, 57
Gabányi K.É. és munkatársai (2016): Four Dual AGN Candidates Observed with the VLBA, Astrophysical Journal, Vol. 826, 106
A VLBA-hoz kapcsolódó korábbi blogbejegyzéseink:
Kettős vagy nem kettős? (2023. szeptember)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/kettos-vagy-nem-kettos
Rádiókvazárok az Univerzum hajnalán (2022. november) https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/radiokvazarok-az-univerzum-hajnalan
AT 2019wey: a nyomozás folytatódik (2022. április)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/at-2019wey-a-nyomozas-folytatodik
Új távolsági rekord a rádiósugárzó kvazároknál (2021. március)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/uj-tavolsagi-rekord-a-radiosugarzo-kvazaroknal
Galaxismag, mit ugrálsz? (2021. február)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/galaxismag-mit-ugralsz
Az egyik legtávolabbi kvazár üzen nekünk a Világegyetem pereméről! (2021. január)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/az-egyik-legtavolabbi-kvazar-uzen-nekunk-a-vilagegyetem-peremerol
Titokzatos gamma-felfénylések II. rész (2020. december)
https://svabhegyicsillagvizsgalo.hu/hirek/blog/titokzatos-gamma-felfenylesek-ii-resz
Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet