Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 50 (vyšlo 5. prosince), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

50/2008

LABOCA otevírá nové okno do vesmíru

Martin Žáček

Před dvěma týdny vyšel v AB 48/2008 článek Ivana Havlíčka, pojednávající o prvních výsledcích pozorování ve zcela novém submilimetrovém okně elektromagnetického záření, získaných zhruba v posledním roce, od uvedení radioteleskopu APEXAPEX (radioteleskop) – Atacama Pathfinder EXperiment, dvanáctimetrový radioteleskop ESO umístěný v Chile v Atacamské poušti ve výšce 5 080 metrů nad mořem. Do provozu byl uveden v roce 2007, stal se prvním radioteleskopem ze zamýšlené sítě 64 teleskopů ALMA. se snímačem LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. do provozu v květnu 2007. APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) je dvanáctimetrový radioteleskop s pohyblivou anténou, nacházející se v severní Chile v nadmořské výšce 5 080 m. Jde o první z 64 radioteleskopů budoucí sítě ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť více než 50 radioteleskopů, která se buduje v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem. Jde o projekt ESO, smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, nyní (2010) fungují 3 radioteleskopy. Zcela dokončena by stavba měla být v roce 2012.. Vznikl ve spolupráci tří evropských institucí, MPIMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech. (Max−Planck−Institut pro Radioastronomii v Bonnu, MPIfRA), ESOESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace založená v roce 1962, která postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality na La Silla (2 400 m), dalekohled VLT na Cerro Paranal (2 635 m) a v tuto chvíli se staví radioteleskopická síť ALMA na Llano de Chajnantor (5 080 m). (Evropská jižní observatoř) a OSOOSO – Onsala Space Observatory, švédská národní radioastronomická observatoř umístěná 45 kilometrů jižně od Gothenburgu v Onsale. Vlastní dva radioteleskopy pracující na milimetrových a centimetrových vlnách. Observatoř byla založena v roce 1949. (Onsalská observatoř). LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. se stala spolu s velkým radioteleskopem APEX a v kombinaci s příhodným místem s vynikající atmosférou po většinu roku vhodnou pro pozorování v uvedeném oboru, aparaturou s bezprecedentními vlastnostmi, slibujícími získávat nové, dosud nedosažitelné astronomické výsledky. Nová kamera je založena na unikátním technickým řešení a využívá matici extrémně citlivých bolometrůBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). čímž se daří pozorovat chladnou mezihvězdnou hmotu prostřednictvím jejího tepelném záření, často dosud jinými metodami nepozorovatelnou. Nové výsledky nám umožní lépe pochopit například procesy při formování chladného mezihvězdného plynu a prachu před vznikem nebo po zániku hvězd, úlohu této látky ve spirálních ramenech galaxií apod. Pojďme se v tomto Bulletinu podívat podrobněji na fyzikální principy a některá technická řešení zmíněného detektoru.

Snímač LABOCA jako srdce experimentu

Konstrukce kamery LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. vyvinuté vědeckou skupinou pro bolometryBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). pracující v MPIfRA zúročuje mnohaleté zkušenosti při vývoji bolometrůBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). pro astronomická pozorování v submilimetrovém pásmu. Jde zatím o nejkomplexnější pozorovací aparaturu vyvinutou touto skupinou. Všimněme si nyní jejího principu a některých nově vyvinutých unikátních technických řešení.

Nová technika tzv. rychlého snímání pro odstranění atmosférického šumu

Největší překážku pro pozorování v milimetrovém a submilimetrovém pásmu je zemská atmosféra, která představuje v tomto pásmu podobnou obtíž, jako kdybychom chtěli provádět astronomická pozorování v optickém oboru za dne, kdy atmosféra září rozptýleným denním světlem. V infračerveném oboru toto způsobuje nejvíce vodní pára obsažená v atmosféře a v menší míře další plyny, jako je například ozón. Kromě toho je rušivé atmosférické pozadí časově proměnné a tvoří tak jakýsi pozorovací šum, přehlušující záření všech astronomických objektů s výjimkou Slunce, Měsíce, Venuše, Marsu a Jupiteru se Saturnem. Nejrozšířenější metodou, jak detekovat záření s intenzitou pod hladinou šumu je tzv. přepínací technika, realizovaná nejčastěji sekundárním zrcadlem nazývaným woobler (rozmítací zrcadlo), které přepíná obraz pozorované oblasti s obrazem atmosférického pozadí na frekvenci vyšší než je frekvence atmosférického šumu. Tato metoda je použitelná s jistým omezením i pro matici detektorů, nejlépe však pracuje ve spojení s jednopixelovými detektory. Pro detektor LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m. byla pro eliminaci šumového pozadí použita odlišná technika, vyvinutá speciálně pro maticové detektory. V této technice nazvané Fast Scanning (rychlé snímání) se využívá skutečnosti, že v poli snímačů jsou vždy snímány pro každý jednotlivý bolometrBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). také okolní části oblohy sousedními bolometryBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1).. Rozmítání signálu se tedy nahrazuje pohybem celé aparatury po pozorované oblasti oblohy a obraz se zkonstruuje až ve fázi počítačového vyhodnocení pozorovaných dat. Šumový příspěvek atmosféry a podobně i přístrojový šum, u nichž obou se předpokládá, že v sousedních snímačích jsou v čase do jisté míry korelovány, lze tak částečně odečíst. Tato technika byla poprvé testována v roce 2000 na matici o 37 bolometrechBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). umístěných na 30metrovém radioteleskopu IRAM (Instituto de Radioastronomía Milimétrica) v Pico Veleta ve Španělsku a od té doby na některých dalším radioteleskopech. Získané zkušenosti posloužily při vývoji bolometrického snímače LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m., ve kterém byla použita zcela nově vyvinutá metoda „rychlého snímání“ za použití nových algoritmů pro zpracování dat.

Dosud největší matice bolometrů

V čem nový detektor naprosto zřejmě vyniká v porovnání se staršími detektory, je použitý počet 295 pixelů v poli snímačů.

Pole 295 bolometrickýchBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). snímačů použité v kameře LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.. Průměr křemíkové
destičky je 102 mm. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Detektory vytvořené z 0,4 μm silné vrstvičky nitridu křemíkuKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). jsou pokryté titanovýmTitan (prvek) – Titanium, šedý až stříbřitě bílý lehký kov, poměrně hojně zastoupený v zemské kůře. Je poměrně tvrdý a mimořádně odolný proti korozi. Jeho výrazně většímu technologickému uplatnění brání doposud vysoká cena výroby čistého kovu. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin a protikorozních ochranných vrstev, ve formě chemických sloučenin slouží často jako složka barevných pigmentů. Titan byl objeven roku 1791 anglickým chemikem Williamem Gregorem. filmem sloužícím jako absorbér detekovaného záření. K němu jsou připájeny germaniovéGermanium – vzácný polokovový prvek, nalézající největší uplatnění v polovodičovém průmyslu. Objevil jej roku 1886 německý chemik Clemens A. Winkler a pojmenoval jej podle své vlasti. Využívá se při výrobě tranzistorů, integrovaných obvodů a světlovodné techniky. termistory, které detekují nepatrné změny teploty snímače v důsledku pohlceného záření. Celé pole je umístěno v kryostatu využívajícího k předchlazení kapalný dusíkDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. a heliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi.. Konečného zchlazení na teplotu 0,285 K je dosaženo dvoustupňovým sorpčním chladičem. Sada studených filtrů, oddělujících dusíkovou a heliovou část kryostatu od okolí, je navržena na propustné pásmo se středem 870 μm (345 GHz) a 150 μm (60 GHz).

Spektrální citlivost kamery LABOCALABOCA – Large APEX BOlometer CAmera, maticový detektor elektromagnetického záření v submilimetrové oblasti na pomezí radiových vln a infračerveného světla, s excelentní citlivostí. Umístěn je na radioteleskopu APEX v Atacamské poušti v Chile v nadmořské výšce 5 080 m.. Střední frekvence je 345 GHz a šířka měřená
poklesem citlivosti na polovinu maxima je 313÷372 GHz. Zdroj: MPIMPI – Max Planck Institute, největší vědecký ústav v Německu s pobočkami v mnoha velkých městech..

Záření je po vstupu do kamery soustředěno k jednotlivým bolometrůmBolometr – neselektivní detektor tepelného (infračerveného) záření pracující na principu měření změny elektrického odporu v závislosti na změně teploty čidla bolometru v důsledku absorpce záření. Závislost lze vyjádřit přibližným vztahem ΔR/R = αΔT, kde α je teplotní součinitel změny odporu R, jehož velikost je určena použitým materiálem čidla bolometru a pracovní teplotou (α = 0,5 ÷ 5 000 K^-1). – monolitickým polem trychtýřovitých antén. Úhlová šířka oblasti odpovídající jednomu pixelu odpovídá 18,6 úhlovým vteřinám a celé matici odpovídá oblast oblohy o velikosti 11,4 úhlových minut.

Mechanismus „rychlého snímání“ může probíhat ve více režimech. V prvním režimu snímání oblohy probíhá po spirále s konstatní úhlovou rychlostí vztaženou ke středu spirály, takže úhlová rychlost po obloze (vztažená ke středu teleskopu) roste s poloměrem spirály. Další je kombinace spirálového pohybu s pohybem rastrovým. Třetí režim se nazývá One−The−Fly (OTF) mapování, při kterém se snímá obloha při pohybu dalekohledu po obloze jedním směrem. Volba režimu se řídí podle velikosti snímané oblohy a podle typu pozorovaného objektu. Pro malé kompaktní objekty se hodí spirálový režim, pro větší části oblohy se používají další dva z uvedených režimů. Typická úhlová rychlost snímání oblohy je kolem 30″/s a závisí mimo jiné také na momentálních vlastnostech oblohy, přičemž maximální úhlová rychlost je omezena maximální možnou rychlostí zpracování dat. která činí přibližně 4′/s.

Přínos dalekohledu APEX s kamerou LABOCA

Experimentální aparatura popsaná v tomto Bulletinu se hodí na širokou škálu pozorování nejrůznějších, hlavně chladných objektů. Jsou to zejména tyto:

O některých výsledcích se píše v AB 48/2008, který jsme zmínili na začátku. Ač by bylo lépe provádět pozorování v infračerveném oboru dalekohledem umístěným ve vesmíru a vyhnout se tak rušivého vlivu atmosféry, mají pozemní dalekohledy i přes obtížnější pozorovací podmínky některé jiné výhody, které mohou v konečné bilanci převážit. Je to zejména nesrovnatelně nižší cena, možnost použít dalekohledy s většími průměry paraboly a odpadají rovněž omezení při nutných servisních misích ve vesmíru, způsobených malou kapacitou při plánování letů raketoplánů, které plní mnoho jiných a rovněž důležitých programů. Pozemní infračervené dalekohledy tak mohou v konečném výsledku poskytnout bohatší pozorovací program, neboť na Zemi je pak možné postavit více dalekohledů a nepříznivý vliv atmosféry lze popsanými metodami omezit. Proto se můžeme těšit na bohatý budoucí rozvoj této nové oblasti astronomie.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu