Ραδιοτηλεσκόπιο ALMA: Η ψυχή της ερήμου Ατακάμα

ΡΑΔΙΟΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟ ALMA*: Η ΨΥΧΗ ΤΗΣ ΕΡΗΜΟΥ ΑΤΑΚΑΜΑ

16 ΑΥΓΟΥΣΤΟΥ 2024 | Μαριλένια Ζώη

“The universe is full of magical things patiently waiting for our wits to grow sharper.”
–Eden Phillpotts

* Alma στα ισπανικά σημαίνει ψυχή.

Εικόνα 1: Το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array στην Έρημο Ατακάμα της Χιλής.
Πηγή: NRAO

Το άρθρο αυτό θα μας μεταφέρει στην έρημο Ατακάμα της Χιλής. Όταν κανείς οραματίζεται μια έρημο, φέρνει στο μυαλό του εικόνες ξηρασίας, ανυπόφορης ζέστης και ίσως, να σκέφτεται ότι μια έρημος δεν είναι κατάλληλο μέρος να εξυπηρετήσει ανθρώπινους σκοπούς. Στην έρημο Ατακάμα όμως, εδρεύει το ραδιοτηλεσκόπιο ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), το οποίο εκμεταλλεύεται το φως που «λούζει» την περιοχή της ερήμου και μας δίνει σημαντικές πληροφορίες για την κοσμική μας προέλευση.

Η ιστορία του ALMA

Η γένεση της ιδέας για την κατασκευή του ραδιοτηλεσκοπίου ALMA χρονολογείται στις αρχές της δεκαετίας του 1980, λίγο αφότου ολοκληρώθηκε η κατασκευή του ραδιοτηλεσκοπίου Nobeyama 45 μέτρων. Οι επιστήμονες του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας (NAOJ) δεν επαναπαύθηκαν με την επιτυχία του τελευταίου τους έργου, αλλά συνέχισαν να αναζητούν τρόπους για να κατανοήσουν σε βάθος το σύμπαν. Έτσι, σε συνεργασία με το Ευρωπαϊκό Νότιο Αστεροσκοπείο (ESO) και το Εθνικό Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας (NRAO), ξεκίνησαν οι μελέτες και η κατασκευή του ραδιοτηλεσκοπίου με αφετηρία τη δεκαετία του 1990. Το 2011 ελήφθησαν οι πρώτες παρατηρήσεις του και το 2013 ολοκληρώθηκε, με συνολικό κόστος 1,4 δισεκατομμύρια δολάρια, αρχίζοντας να λειτουργεί πλήρως με 16 κεραίες διαμέτρου 12 μέτρων.

Εικόνα 2: Εικόνα από την μεταφορά μιας κεραίας του ALMA στο σημείο των εγκαταστάσεων.
Πηγή: Thales

Τι είναι το ALMA;

To Atacama Large Millimeter/submillimeter Array σήμερα αποτελείται από 66 κεραίες, οι οποίες εντοπίζουν και μελετούν ραδιοκύματα σε μήκη κύματος εύρους από 0.32 έως 3.6 mm. Από το σύνολο των κεραιών του, οι 50 έχουν διάμετρο 12 μέτρα και βρίσκονται στην βασική συστοιχία, επιτελώντας τη λειτουργία τους από κοινού σαν ένα τηλεσκόπιο (ένα συμβολόμετρο¹). Οι εναπομείνασες κεραίες συγκροτούν μια συμπαγή συστοιχία 4 κεραίων διαμέτρου 12 μέτρων και 12 κεραιών διαμέτρου 7 μέτρων. Οι κεραίες αυτές είναι διάσπαρτες σε αποστάσεις από 150 μέτρα έως 16 χιλιόμετρα.

Σκοπός του ALMA είναι να δώσει στους παρατηρητές όσο το δυνατόν πιο καθαρές εικόνες διαφόρων φαινομένων σχετικών με το πρώιμο σύμπαν, όπως ο σχηματισμός αστέρων ή τα μοριακά νέφη².

Εικόνα 3: Το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array στην Έρημο Ατακάμα της Χιλής.
Πηγή: Universe Today

Σημαντικά ευρήματα

Ηλιακό σύστημα: Πληθώρα ουρανίων σωμάτων έχει μελετηθεί από το ALMA στο ηλιακό μας σύστημα, όπως δορυφόροι, αστεροειδείς, κομήτες και πλανήτες.

Το 2019, οι αστρονόμοι του ALMA θέλησαν να εμβαθύνουν τη γνώση μας για το εσωτερικό του Δία, κάτω από τα πολύχρωμα και ποικιλόμορφα σύννεφά του. Χρησιμοποιώντας ραδιοκύματα, κατάφεραν να εξάγουν εικόνες της ατμόσφαιρας του πλανήτη 50 χιλιόμετρα κάτω από το ορατό νέφος.

Εικόνα 4: Εικόνα του Δία.
Πηγή: ALMA Observatory

Πλανήτες: Το 2014, καθώς παρατηρούσαν τον νεαρό αστέρα HL Tauri, οι παρατηρητές του ALMA έκαναν πρωτοποριακές ανακαλύψεις σχετικά με τη δημιουργία πλανητών. Η εικόνα των λαμπρών, ομόκεντρων κύκλων του HL Tauri αποτέλεσε την πιο αδιαμφισβήτητη απόδειξη της αδιάλειπτης γένεσης πλανητών μέσα σε πρωτοπλανητικούς δίσκους και οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι πλανήτες σχηματίζονται γρηγορότερα απ’ ό,τι είχαμε υπολογίσει μέχρι πρότινος.

Η αναζήτηση απαντήσεων για την δημιουργία πλανητών δεν σταμάτησε εκεί, καθώς το 2018 δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα μιας έρευνας, κατά τη διάρκεια της οποίας συνεργάστηκαν επιστήμονες απ’ όλα τα μήκη και πλάτη της Γης, βασισμένα σε εικόνες 20 πρωτοπλανητικών δίσκων σε κοντινή απόσταση. Τα πιο αξιόλογα συμπεράσματα που εξήγαγε αυτή η έρευνα είναι ότι πλανήτες γίγαντες, όπως ο Ουρανός παραδείγματος χάριν, παίρνουν το σχήμα τους με πολύ πιο ραγδαίους ρυθμούς από αυτό που πιστεύαμε και ότι έχουν την τάση να σχηματίζονται σε τρομακτικά μακρινές αποστάσεις από το άστρο του συστήματός τους.

Εικόνα 5: Ο πρωτοπλανητικός δίσκος γύρω από τον αστέρα HL Tauri.
Πηγή: ALMA Observatory

Σχηματισμός αστέρων: Τα αστέρια σχηματίζονται από μοριακά νέφη ή αστρικά φυτώρια. Ένα αστρικό φυτώριο είναι ικανό να παράγει χιλιάδες νεογέννητα άστρα για όσο υπάρχει. Έχουν ανακαλυφθεί αστρικά φυτώρια σε πλήθος σχημάτων και μεγεθών, κάτι το οποίο επηρεάζει τους αστέρες που δημιουργούνται.

Το 2018, το ALMA μαζί με άλλα τηλεσκόπια, έφερε στο φως τον εσωτερικό ιστό των αστρικών φυτωρίων στο Νεφέλωμα του Ωρίωνα. Ο ιστός αυτός αποτελείται από κόκκινα νήματα, τα οποία μπορούν να εντοπιστούν μόνο από τηλεσκόπια που λειτουργούν στο εύρος μήκους κύματος του χιλιοστού και δεν είναι ορατά στο οπτικό και υπέρυθρο φως, καθιστώντας το ALMA ένα από τα ελάχιστα τηλεσκόπια ικανό να το απεικονίσει.

Το 2021, οι αστρονόμοι, με τη βοήθεια του ALMA, διεύρυναν τις μελέτες τους με στόχο να χαρτογραφήσουν τη συμπαντική μας γειτονιά και να ανακαλύψουν τις παραλλαγές των «αστροπαραγωγών» γαλαξιών.

Εικόνα 6: Ο εσωτερικός ιστός των αστρικών φυτωρίων στο Νεφέλωμα του Ωρίωνα. Το κόκκινο παγωμένο αέριο λειτουργεί ως εκκολαπτήριο για νέα άστρα.
Πηγή: ALMA Observatory

Θάνατος αστέρων: Τα αστέρια φτάνουν στο τέλος τους με πολλούς τρόπους. Κάποια καταλήγουν σε σουπερνόβα⁴. Άλλα μετατρέπονται σε κόκκινους γίγαντες⁵ κι έπειτα, αρχίζουν να χάνουν τη μάζα τους αποβάλλοντας αέρια και σωματίδια, δημιουργώντας τελικά, ένα πλανητικό νεφέλωμα. Οι παρατηρητές του ALMA έχουν κάνει σημαντικές ανακαλύψεις και για τις δύο φάσεις των αστρικών θανάτων.

Το 2017, σε συνεργασία με το Hubble της NASA και το Παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra, διεξήχθη μία εμπεριστατωμένη έρευνα για το Supernova 1987A, που συγκλόνισε τους αστρονόμους τριάντα χρόνια νωρίτερα, προσφέροντας νέες εικόνες και στοιχεία.

Το 2020, παρατηρώντας μερικούς κόκκινους γίγαντες, οι επιστήμονες του ALMA κατέρριψαν τη θεωρία κατά την οποία τα παραγόμενα αέρια τους είναι οπωσδήποτε σφαιρικά. Στην περίπτωση που επικοινωνούν με ένα άλλο άστρο ή εξωπλανήτη, το σχήμα τους μεταβάλλεται.

Εικόνα 7: Το Supernova 1987A, όπως αποδόθηκε από το κάθε συνεργαζόμενο τηλεσκόπιο.
Πηγή: ALMA Observatory

Σχηματισμός γαλαξιών: Το οξυγόνο δεν υπήρχε ανέκαθεν στο σύμπαν. Δημιουργήθηκε μέσα στους αστέρες και απελευθερώθηκε από αυτούς στην δύση της ζωής τους.

Το 2018 διενεργήθηκαν μελέτες σχετικά με τον γαλαξιακό σχηματισμό μέσω του εντοπισμού των πιο απομακρυσμένων (που έχουν υποπέσει στην αντίληψή μας) μορίων οξυγόνου. Τα μόρια αυτά ανακαλύφθηκαν σε απόσταση 13.28 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά, στον γαλαξία MACS1149-JD1 και οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι εκεί, οι αστέρες σχηματίστηκαν απροσδόκητα 250 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Τα ευρήματα του ALMA υπέδειξαν ότι ήδη είχε απελευθερωθεί οξυγόνο στον MACS1149-JD1 από νεκρούς αστέρες 500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang.

Εικόνα 8: Ο γαλαξίας MACS1149-JD1, όπως απαθανατίστηκε από το ALMA και το Hubble³.
Πηγή: ALMA Observatory

Μαύρες τρύπες: Το παρατηρητήριο του ALMA σε συνεργασία με άλλα ραδιοτηλεσκόπια δημιούργησαν ένα συμβολόμετρο στο μέγεθος της Γης, το Event Horizon Telescope Collaboration, για να απαθανατίσουν την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, κάτι το οποίο επετεύχθη το 2019. Πρόκειται για τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία Μ87.

Εικόνα 9: Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας.
Πηγή: ALMA Observatory

Τελευταίες εξελίξεις

Υψηλότερη ανάλυση εικόνων: Η ομάδα του ALMA προχώρησε στη χρήση του Band 10 για την αποστασιοποίηση των κεραιών, προκειμένου να λαμβάνει πιο καθαρές εικόνες από τις παρατηρήσεις της. Με τις βελτιώσεις αυτές, το ραδιοτηλεσκόπιο μπορεί να ανιχνεύει με λεπτομέρεια αντικείμενα στην επιφάνεια της Σελήνης που φτάνουν έως και τα 10 μέτρα!

Εικόνα 10: Η εικόνα με την υψηλότερη ανάλυση που έχει τραβηχτεί από το ALMA, η οποία απεικονίζει τον αστέρα R Leporis, που ανήκει στον γαλαξία μας.
Πηγή: Space.com

Σχηματισμός πλανητών γύρω από δίδυμους αστέρες⁶: Οι επιστήμονες του ALMA μελέτησαν τους πρωτοπλανητικούς δίσκους δύο διδύμων συστημάτων, του D.F Tau και του F.O Tau. Στο σύστημα D.F Tau μόνο ο ένας πρωτοπλανητικός δίσκος είναι μαγνητικά κλειδωμένος με το άστρο του, ενώ ο άλλος έχει αποκολληθεί. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το άστρο που έχει απολέσει τον δίσκο του περιστρέφεται με έντονους ρυθμούς. Δεν ισχύει όμως, το ίδιο και για το σύστημα F.O Tau, όπου τα άστρα κινούνται με πιο αργούς ρυθμούς και κάνουν πιο κυκλικές περιφορές. Εκεί οι δύο δίσκοι παραμένουν μαγνητικά κλειδωμένοι στα άστρα τους.

Το συμπέρασμα που εξήγαγαν, λοιπόν, είναι ότι συνθήκες πιο ομαλές, όπως στην περίπτωση του συστήματος F.O Tau, ευνοούν περισσότερο τη γένεση πλανητών.

Εικόνα 11: Το δίδυμο σύστημα αστέρων DF Tau.
Πηγή: Space.com

Εύρεση μοριακών ειδών σε μακρινό γαλαξία: Οι παρατηρητές του ALMA μετά από διεξαγωγή ερευνών για τον γαλαξία NGC 253, στην κοιτίδα του οποίου γεννιούνται πολλά αστέρια, ανακάλυψαν πάνω από εκατό μοριακά είδη. Είναι αξιόλογο να αναφερθεί αυτή η ανακάλυψη, γιατί ποτέ στο παρελθόν δεν έχουν βρεθεί τόσα πολλά πέρα από τον γαλαξία μας. Αυτά τα μοριακά είδη προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τα διαφορετικά στάδια της ζωής των αστέρων.

Επίλογος

Το ραδιοτηλεσκόπιο ALMA έχει ακόμη πολλά να προσφέρει στην αστρονομική κοινότητα. Αυτό φαίνεται εξάλλου, από τις συνεχείς πρωτοποριακές ανακαλύψεις του, αλλά και από την εξέλιξη των δυνατοτήτων του, αφού όσο περνά ο καιρός μάς εξασφαλίζει όλο και πιο ευκρινείς εικόνες. Για όσο οι αστρονόμοι του παρατηρητηρίου δεν επαναπαύονται και υποκινούνται από την περιέργεια για την βαθύτερη κατανόηση του σύμπαντος, η ανθρωπότητα θα αδημονεί για τα νέα ευρήματα του ALMA.

Ευρετήριο Όρων

ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟ: Συνδυασμός πλήθους οργάνων τοποθετημένων σε μακρινές αποστάσεις, με σκοπό τη λήψη εικόνων υψηλής ευκρίνειας.

ΜΟΡΙΑΚΟ ΝΕΦΟΣ: Νέφος μέσα στο οποίο είναι ευνοϊκές οι συνθήκες σχηματισμού μορίων.

HUBBLE: Τηλεσκόπιο της NASA, το οποίο έχει τεθεί σε τροχιά γύρω από τη Γη από το 1990.

ΣΟΥΠΕΡΝΟΒΑ: Αλλιώς υπερκαινοφανής αστέρας. Πρόκειται για την έκρηξη ενός αστέρα λίγο πριν φτάσει στο τέλος της ζωής του.

ΚΟΚΚΙΝΟΣ ΓΙΓΑΝΤΑΣ: Ένας αστέρας μπορεί να μετατραπεί σε κόκκινο γίγαντα ένα στάδιο πριν τον θάνατό του. Αποκτά τεράστιο όγκο, η μάζα του αραιώνει και θερμοκρασία στην επιφάνειά του πέφτει. Μετά από αυτό, αρχίζει να χάνει την υπόστασή του.

ΔΙΔΥΜΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ: Δίδυμοι αστέρες ονομάζονται εκείνοι που περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλον.

Συντακτική επιμέλεια: Δέσποινα Κασίμογλου
Επιστημονική επιμέλεια: Δέσποινα Κασίμογλου
Μετάφραση: Δέσποινα Κασίμογλου

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ALMA Observatory, “About ALMA, at first glance”, https://www.almaobservatory.org/en/about-alma/, [πρόσβαση 05/08/2024]
NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan), “Milestones”, https://alma-telescope.jp/en/milestones, [πρόσβαση 05/08/2024]
The Editors of Encyclopaedia Brittanica, “Atacama Large Millimeter Array”, https://www.britannica.com/topic/Atacama-Large-Millimeter-Array, [πρόσβαση 05/08/2024]
ALMA Observatory, “Discoveries”, https://www.almaobservatory.org/en/about-alma/how-alma-works/early-discoveries/, [πρόσβαση 11/08/2024]
Event Horizon Telescope, “Astronomers Reveal First Image of the Black Hole at the Heart of Our Galaxy”, https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-reveal-first-image-black-hole-heart-our-galaxy, [πρόσβαση 13/08/2024]
Mark Thompson (2023), “A New Technique Has Dramatically Improved ALMA’s Resolution”, https://www.universetoday.com/164335/a-new-technique-has-dramatically-improved-almas-resolution/, [πρόσβαση 13/08/2024]
Robert Lea (2024), “Massive radio telescope array investigates the birth of planets around twin stars”, https://www.space.com/twin-star-system-alma-investigation, [πρόσβαση 13/08/2024]
ALMA Observatory, “A Glimpse by Molecules – a Production Line Inside a Busy Star Factory in a Starburst Galaxy”, https://alma-telescope.jp/en/news/starfactory-202403, [πρόσβαση 13/08/2024]
Καστανάς, Π. (2020), Προς τ’ άστρα, Αθήνα: ΚΑΚΤΟΣ