Na horyzoncie widać wielką białą antenę. Czasza skierowana w niebo odbiera sygnały z kosmosu. Jesteśmy na miejscu – w Obserwatorium Astronomicznym w Piwnicach należącym do Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Sprawdzimy, gdzie trafia odebrany sygnał, jak wygląda jeden z najbardziej zasłużonych teleskopów optycznych świata i dlaczego od ponad 100 lat astronomowie nie patrzą przez teleskop. Naszym przewodnikiem będzie dr Paweł Wolak. Zanim jednak zajrzymy do sterowni radioteleskopu, trzeba sprawdzić, co to za tajemnicze fale.

Fale elektromagnetyczne

Dzięki nim widzimy kolory, czujemy ciepło słońca, korzystamy z wi-fi i oglądamy telewizję. Fale są wszędzie. Istniały już, zanim człowiek zaczął je wykorzystywać. Wszystkie rozchodzą się w przestrzeni – podobnie jak rozchodzą się kręgi fal na tafli jeziora, gdy wrzucimy do niego kamień. Jednak w przeciwieństwie do fal na powierzchni wody fale elektromagnetyczne rozchodzą się nawet w próżni. Do fal elektromagnetycznych zalicza się:

☻ fale radiowe

☻ mikrofale

☻ podczerwień

☻ światło (widzialne)

☻ ultrafiolet

☻ promieniowanie rentgenowskie

☻ promieniowanie gamma.

Fale różnią się między sobą długością (metry) i częstotliwością (herce). Im fala krótsza, tym jej częstotliwość jest większa i większą niesie energię.

Wszędobylskie fale

Wszystko wokół nas (na ziemi i w kosmosie), co ma temperaturę wyższą od - 273 stopni Celsjusza, promieniuje. Nawet człowiek naturalnie emituje niewielkie ilości fal radiowych (i podczerwieni). Niektóre fale nauczyliśmy się też sztucznie wzbudzać (fale radiowe służące do telekomunikacji, mikrofale podgrzewające jedzenie). Część fal widzimy – to światło, niewielki zakres z całego bogactwa fal. Żeby dojrzeć inne fale, potrzebujemy specjalnych urządzeń. Fale podczerwone zobaczymy dzięki specjalnym kamerom. Fale radiowe odbieramy dzięki antenom. Ta ogromna, w Piwnicach pod Toruniem, także odbiera fale radiowe, ale nie wytworzone przez człowieka. 32-metrowa czasza zbiera sygnały wyemitowane przez gwiazdy, chmury materii międzygwiazdowej, pulsary, aktywne galaktyki czy kosmiczne masery. Gdy fale wysyłane z kosmosu, zamienimy na prąd elektryczny, wzmocnimy i przepuścimy przez głośnik, usłyszymy tylko szum. Naukowcy potrafią jednak dzięki nim tworzyć precyzyjne mapy kosmosu i odkrywać obiekty na krańcach wszechświata, nawet takie, które są tak daleko od Ziemi, że w chwili gdy sygnał do nas dociera, już nie istnieją. Naukowcy odkryli na przykład szum dochodzący z całego wszechświata. Okazało się, że to promieniowanie reliktowe pozostałe po tak zwanym Wielkim Wybuchu, czyli początku wszechświata.

Wielka antena, słaby sygnał

Do zbierania informacji ukrytych w falach potrzebny jest radioteleskop. Jego ogromna czasza ma kształt paraboloidy obrotowej. Nadchodzące fale przekierowuje ona na małe lustro wtórne. Stamtąd odbite fale trafiają do oświetlaczy, czyli takich lejków, w centrum czaszy, a potem do dewarów, czyli specjalnych pojemników, w których umieszczona jest elektronika. Tam panuje próżnia, a znajdujące się wewnątrz urządzenia schłodzone są do 8 kelwinów, czyli - 265 stopni Celsjusza. – Urządzenia elektroniczne, pracując, wytwarzają sygnał o charakterze szumowym – wyjaśnia dr Paweł Wolak. – Naturalne sygnały z kosmosu też mają taki charakter i nie umielibyśmy ich odróżnić od „szumiących” urządzeń, dlatego aparatura musi być schładzana (im obiekt cieplejszy, tym mocniej emituje fale). Sygnały odbierane przez radioteleskop są tak słabe, że gdybyśmy zebrali energię zgromadzoną przez wszystkie radioteleskopy świata działające od początku ery radioastronomii, czyli przez ponad 70 lat, wystarczyłaby ona do stopienia zaledwie… jednego płatka śniegu. Mimo że fale radiowe kojarzą się ze słuchaniem, tak naprawdę ich nie słychać. – Radioteleskop, zbierając fale radiowe, może je dopiero przekształcać na dźwięk lub obraz – mówi dr Wolak.

Teleskop jak Ziemia

Fale radiowe są znacznie dłuższe niż fale światła widzialnego. Pojedynczy radioteleskop można porównać do aparatu fotograficznego z zaledwie jednym pikselem. Radiowy obraz obiektu jest więc pozbawiony szczegółów. To tak, jakby patrzeć na świat przez rurę o długości 50 metrów zakończoną otworkiem o średnicy jednogroszówki. Można poprawić rozdzielczość, „ostrość widzenia” radioteleskopu, zwiększając jego czaszę, jednak problem „jednego piksela” nadal pozostanie. Aby temu zaradzić, naukowcy stworzyli rewolucyjną technikę zwaną interferometrią wielkobazową. Co to znaczy? – pytam. – Mówiąc wprost, kilka do kilkudziesięciu radioteleskopów na całym świecie dokładnie w tym samym czasie obserwuje ten sam obiekt, dzięki czemu poprzez wykorzystanie zjawiska interferencji tworzą jeden globalny instrument umożliwiający uzyskanie bardzo dokładnej mapy radiowej obserwowanego obiektu. Dane przesyłane są światłowodem do Holandii, do instytutu w Dwingeloo – wyjaśnia naukowiec. Dzięki tej współpracy astronomowie dysponują wirtualnym radioteleskopem o średnicy całej Ziemi, a jego „ostrość widzenia” jest już tak duża, że moglibyśmy czytać książkę położoną na Księżycu. Jest to największe urządzenie badawcze, jakim dysponuje obecnie ludzkość. Obserwatorium w Piwnicach jako jedyne w Polsce jest częścią tego systemu.

Radioastronomia

To najważniejszy sposób poznawania kosmosu. Ojcem radioastronomii jest Karl Jansky, który w 1931 roku zidentyfikował fale radiowe dochodzące spoza Ziemi. Pierwsze w historii „zdjęcie” (w rzeczywistości mapa radiowa) czarnej dziury sprzed trzech lat powstało właśnie dzięki obserwacjom radiowym. W Polsce pierwszy radioteleskop zamontowano w Krakowie w obserwatorium na Skale, a pierwsza antena w Piwnicach stanęła w 1958 roku.

Do czego służy teleskop?

– Już od ponad 100 lat naukowcy nie patrzą w niebo przez teleskop – wyjaśnia dr Paweł Wolak. – Przez teleskop wykonuje się zdjęcia. I to niezwykłe. Gdy na przykład popatrzymy na Marsa, zobaczymy jasną kulę. Gdy na teleskop założymy mocniejszy okular, dostrzeżemy kratery i wzniesienia. Gdy popatrzymy na gwiazdę, zobaczymy świecący punkt, nawet gdy nałożymy silniejsze okulary – nic się nie zmieni. Gwiazdy są zbyt daleko. Skuteczny sposób obserwacji gwiazd umożliwiający poznanie ich tajemnic zastosował Henry Draper. Przepuszczał on światło gwiazdy przez soczewki i pryzmat, czyli urządzenie zwane dziś spektografem. Dzięki temu otrzymywał jej widmo przypominające tęczę, ale poszatkowaną ciemnymi kreskami. Te braki to linie absorpcyjne, charakterystyczne dla różnych pierwiastków: wodoru, wapnia, sodu czy żelaza. Kiedy pan Henry zmarł, jego żona Anna Maria podarowała kilka teleskopów profesorowi Edwardowi C. Pickeringowi z Harvardu. Zespół Pickeringa, składający się prawie wyłącznie z kobiet, katalogował tysiące zdjęć widmowych gwiazd wykonanych na szklanych płytkach teleskopami Drapera. W wyniku pracy grupy badawczej ponad trzysta tysięcy gwiazd uzyskało oznaczenie swojego widma. Ta wielka klasyfikacja będąca podstawą astrofizyki jest poprawna i aktualna do dziś.

Amerykański teleskop w Piwnicach

W Piwnicach znajduje się jeszcze jeden ważny instrument, choć znacznie mniejszy i o wiele starszy od wielkiej anteny. Odkrycie tajemnicy świecenia gwiazd i narodziny nowej nauki, zwanej astrofizyką, były możliwe dzięki wspomnianym teleskopom na Uniwersytecie Harvarda. Do dziś ocalał z nich tylko jeden. Wchodzimy po krętych stopniach. Na środku pod drewnianą kopułą stoi teleskop z lśniącym mosiężnym obiektywem. Jest dziwnie pochylony. – Jego oś biegnie równolegle do osi obrotu Ziemi – tłumaczy pan Paweł. – Dzięki temu teleskop, obracając się ze stałą prędkością i tylko w jednej osi, może przez cały czas śledzić ten sam obiekt mino obrotu Ziemi. Skąd tak wyjątkowy amerykański teleskop w Polsce? Obserwatorium w Piwnicach założyli naukowcy z Uniwersytetu Stefana Batorego w Wilnie, prof. Władysław Dziewulski i docent Wilhelmina Iwanowska. Pierwszym instrumentem w obserwatorium od 1948 roku był właśnie teleskop Drapera. Przysłano go z Obserwatorium Uniwersytetu Harvarda w Cambridge w USA jako pomoc dla naszych naukowców.