Какво представлява LOFAR?

Ангел Димитров, Евелина Захариева, Венцислав Димитров, Марияна Джорджевич, Калоян Кирилов

През последния половин век знанието ни за Вселената се обогатява с астрономически наблюдения в оптичната, инфрачервената и ултравиолетовата област. Но една област на спектъра остава слабо изследвана – нискочестотния радиодиапазон.

LOFAR e многофункционален, високо иновативен паневропейски разпределен нискочестотен радио телескоп (10-250 MHz), разработен от холандския Институт по радио астрономия (ASTRON) за изследване на ранната и далечна Вселената, слънчевата активност, и земната атмосфера.

LOFAR се състои от голям брой иновативни наблюдателни станции с антени тип фазирана решетка из цяла Холандия и част от Европа, свързани с оптична високоскоростна връзка. В южна и източна Европа няма станция.

Астрофизика с LOFAR

Изследванията с LOFAR са организирани в няколко ключови научни проекта. Тези проекти обединяват научни екипи, които с работата си и с помощта на LOFAR имат значителен научен принос за съвременната астрофизика и космология.

Епохата на рейонизация в ранната Вселена

Първите звезди в ранната Вселена са формирани от “неутрална” среда: във времето скоро след Големия взрив, което е част от историята на Вселената, добре изучена през последните години посредством изследване на космическия микровълнов фон (CMB), субатомни частици се сливат, за да формират неутрален водород. След като първите звезди запалват своите термоядрени реакции, те изпълват Вселената със светлина, което води до йонизация на обкръжаващата “неутрална” среда. Това е познато като “Епоха на рейонизация” и изважда Вселената от “тъмната епоха” — това е началото на съществуването на звездите. Къде и как започва тази рейонизация е един от най-важните и все още неотговорени въпроси в модерната космология. Изучаването на епохата на рейонизация е един от най-важните стимули за конструирането и пускането в експлоатация на LOFAR, който ще ни позволи да изследваме фундаментални предположения и теории за формирането на Вселената. Въпреки изключително важната ѝ роля, епохата на рейонизация е една от най-слабо изучените части от еволюцията на Вселената. Много теоретични усилия, водени от силно ограничени наблюдателни доказателства, са посветени на разбирането на физичните процеси, които отключват тази епоха, водят еволюцията ѝ и това какъв е ефектът ѝ върху последващото формиране на структури. Епохата на рейонизация е ключов проект за LOFAR, който трябва да измери дяла на неутралния газ във Вселената като функция на червеното отместване и ъгловата позиция чрез свръхфината линия на водорода на 21cm. Тази линия вероятно е единствената наблюдаема следа от газа в епохата на рейонизация. Тя позволява детайлно картографиране на епохата по време на развитието ѝ във времето и пространството.

Проучвания на звездното небе

Чувствителността и изключително голямото “зрително поле” на LOFAR го правят идеален инструмент за дълбоки проучвания на много голяма площ от небето. LOFAR ще направи серии от уникални изследвания на нискочестотни радио източници, които ще отворят прозорец за развитие на много дялове от астрофизиката. Много важни сред тях са: формирането на масивни галактики, купове и черни дупки — използвайки радиогалактики с червено отместване z ≥ 6 за образци; магнитното поле в куповете, използвайки дифузните радиоемисии в галактични купове; формирането на звезди в ранната Вселена, проучвайки галактики с активно звездообразуване.

Този проект е оптимизиран за получаване на големи проби от различните категории извънгалактични радио-излъчващи обекти. Планът е да се изследва цялото достъпно небе на ключовите честоти  15, 30, 60, 120 MHz и 1000 квадратни градуса на 200 MHz. Проучванията ще се проведат през няколко епохи, което позволява откриването на променливи източници.

Краткотрайни източници

Нашата Вселена може да бъде много буйна и да се променя изключително бързо. Експлодиращи звезди гиганти, акретиращи материя свръхмасивни черни дупки, бързовъртящи се неутронни звезди — всички те могат да освободят невъобразимо количество енергия в обкръжаващата ги среда за много кратък период от време, запазвайки въпросната среда в активно състояние, отключвайки звездообразуване и регулирайки растежа на галактиките. В почти всички случаи, тези събития и феномени са придружени с радио емисии, така че, наблюдавайки в радиодиапазона, ние можем да разберем къде и колко често настъпват подобни събития и да оценим тяхното влияние върху заобикалящата ги среда. Проектът LOFAR се фокусира върху изследването и разбирането на гръмката и динамична Вселена чрез наблюдения на неустойчивите радио източници. Благодарение на голямото поле и многото приемници на LOFAR, за първи път ще можем да направим точна оценка на такива източници.

Наука за Слънцето и космическо време

Слънцето излъчва много силно в радиодиапазона, не само по време на периоди на интензивна активност, свързани с феномени като протуберанси и коронални изхвърляния на маса, но също и по време на периоди, в които се смята за “тихо” на други дължини на вълната. Радиоемисиите от енергетични и динамични феномени, като протуберанси и коронални изхвърляния на маса, са изключително интересни, тъй като са основните движещи сили на космическото време (space weather) и могат да окажат ефект върху космическата околна среда на Земята. Протуберансите и короналните изхвърляния на маса са също и предизвикателни за разбиране физически феномени. LOFAR ще отвори нов прозорец в радиоспектъра, който ще бъде изключително полезен за многобройни изследвания. Малка част от тях са например изследването на ускорени частици от слаби до силно енергетични събития, които ще могат да бъдат комбинирани с изследвания по целия спектър от други наземни и космически обсерватории. Освен това наблюденията в радиодиапазона ще помогнат и за детайлна диагностика на земната йоносфера и магнитосфера.

Космически магнетизъм

Въпреки познанията ни, че магнитните полета изпълват междузвездната среда, тяхното присъствие на големи и малки мащаби често е пренебрегвана тема в астрофизиката. Нискочестотното покритие на LOFAR създава перфектни условия за промяна на това и за детайлно изследване на космическата магнитна мрежа. Присъствието на магнитни полета при астрофизични обекти се разделя на два вида: първо, чрез засичане на синхротронно излъчване радиационен механизъм, който е директно следствие от наличието на магнитни структури и второ — използвайки въртенето на вътрешната поляризация на фонови източници, като тяхната собствена радиация преминава през намагнетизираната материя. И двата механизма са добре изучени при ниски честоти, измерени от LOFAR, тъй като не само са слаби, но и амплитудите им са обратно пропорционални на честотата. Проектът, изучаващ космическия магнетизъм, не само ще изследва фарадеевите структури на индивидуални обекти, като например близки галактики, намагнетизирани халота на галактични купове и междузвездната галактична равнина, където магнитните полета играят важна роля от звездообразуването до растежа на галактиките, но също и ще изследва първичното възникване, структура и еволюция на магнитните полета в космологични мащаби.