11.04.2022

Ultraszybka kamera – polski wkład w astronomię najwyższych energii


Fotografia prezentuje dynamiczny wybuch hipernowej. Po obu stronach gwiazdy w postaci strugi, nazywanej także dżetem, uwalnia się promieniowanie gamma, które może zostać zarejestrowane przez teleskopy znajdujące się na powierzchni planety.

Fotony γ są uwalniane w postaci tzw. dżetu m.in. w trakcie wybuchów hipernowych; źródło Dreamstime

Cherenkov Telescope Array to jeden z największych projektów astronomicznych na świecie, którego celem jest budowa naziemnych obserwatoriów służących do badań wysokoenergetycznego promieniowania gamma w kosmosie. W to wielkie przedsięwzięcie zaangażowanych jest ponad 1000 naukowców z całego świata, w tym duży zespół z Polski, w skład którego wchodzą także badacze z AGH. Wraz ze specjalistami z UJ odpowiadali oni za opracowanie kamery teleskopu, która pod wieloma aspektami okazała się lepsza od urządzeń zaproponowanych przez partnerów zza granicy. Wyposażony w nią prototypowy teleskop w Obserwatorium w Ondřejovie zarejestrował pod koniec lutego 2022 r. pierwsze błyski spowodowane fotonami gamma kosmicznego pochodzenia.

Astronomia najwyższych energii

Promieniowanie gamma (oznaczane grecką literą γ) jest najbardziej energetyczną postacią promieniowania elektromagnetycznego. Jego ziemskim źródłem są między innymi wybuchy jądrowe bomb atomowych, powodujące emisję wysoce jonizujących wiązek fotonów, które są groźne dla zdrowia i życia człowieka. Ten rodzaj promieniowania odpowiada również za najjaśniejsze zjawiska na niebie, czyli trwające bardzo krótko rozbłyski gamma (ang. GRB). Początkowo myślano, że ich kosmicznym źródłem muszą być zdarzenia w naszej Galaktyce, gdyż obserwowane energie były nadzwyczaj wysokie – niemal milion razy większe niż przy wybuchu bomby atomowej. Wkrótce jednak potwierdzono hipotezę Bohdana Paczyńskiego, wybitnego polskiego astrofizyka, który przekonywał, że źródła tych błysków są z pewnością pozagalaktyczne. Dzisiaj już wiadomo, iż fotony γ dochodzą do Ziemi z odległości miliardów lat świetlnych i – podobnie jak w przypadku eksplozji jądrowych – pochodzą one z wielkich katastrof: wybuchów super- i hipernowych, zderzeń czarnych dziur i gwiazd neutronowych.

Można więc powiedzieć, że we Wszechświecie istnieją gigantyczne akceleratory cząsteczek, generujące promieniowanie o energiach, które są nie do osiągnięcia w warunkach ziemskich. Jak to się jednak dzieje, że człowiek nie odczuwa jego negatywnych skutków? Odpowiedź jest prosta: chroni go przed tym ziemska atmosfera, rozpraszająca energię groźnych fotonów γ. Tarcza ta stanowi zarazem problem dla obserwatorów, którzy chętnie badaliby tajemnice kosmosu najwyższych energii. Dlatego też pierwsze detektory promieniowania gamma umieszczono na orbicie, lecz na skutek wielu związanych z tym ograniczeń nie było to satysfakcjonujące rozwiązanie – najbardziej energetyczne fotony γ pozostawały poza zasięgiem astronomów. Wówczas naukowcy wpadli na genialny pomysł polegający na wykorzystaniu jako detektora samej atmosfery. Okazało się, że jest to możliwe dzięki promieniowaniu Czerenkowa, które jest emitowane w wyniku oddziaływania fotonów γ z ziemską powłoką gazową. Objawia się ono jako błyski niebieskiego światła, które można by zaobserwować przy użyciu odpowiednich teleskopów optycznych.

W wyniku oddziaływania fotonów γ z ziemską atmosferą powstaje niebieski rozbłysk promieniowania Czerenkowa, który możemy zaobserwować teleskopem optycznym. Źródło: Instytut Elektroniki AGH

Cherenkov Telescope Array

Na tego typu idei oparty jest jeden z największych projektów astronomicznych na świecie, czyli Cherenkov Telescope Array (CTA), nazwany na cześć odkrywcy wspomnianego wyżej promieniowania. Polega on na budowie naziemnych obserwatoriów astronomicznych, które będą w stanie odnotować bardzo krótkie (trwające kilka miliardowych sekundy) błyski w ziemskiej atmosferze wywołane przez fotony γ. Jako że promieniowanie Czerenkowa należy do widzialnego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, może być zarejestrowane przy użyciu teleskopów optycznych. Docelowo w ramach CTA powstać mają dwa duże obserwatoria – na południowej i północnej półkuli – które będą wyposażone w kilkadziesiąt takich urządzeń różnej wielkości (o średnicy zwierciadła 4, 12 i 23 m). Ich synchronizacja z wykorzystaniem techniki stereoskopowej, polegającej na obserwacji konkretnego zjawiska z wielu punktów widzenia, pozwoli na wyznaczenie miejsca w kosmosie, z którego przybył każdy zarejestrowany foton γ. Użycie wielu teleskopów zwiększy też czułość instrumentu i pozwoli badaczom na zredukowanie szumu, który był istotnym problemem w przypadku pojedynczych detektorów umieszczonych na orbicie.

Utworzona w ten sposób macierz (ang. array) teleskopów będzie jedną z największych sieci obserwacyjnych w historii. Projekt CTA stanowi w istocie połączenie wysiłków licznych grup naukowych z całego świata, zajmujących się astronomią najwyższych energii. W działania mające na celu budowę obserwatoriów zaangażowanych jest ponad 1000 badaczy z prawie 30 krajów – w tym 70 naukowców i inżynierów z Polski, pochodzących z 9 różnych jednostek badawczych. Mają oni bardzo ważny wkład w projekt – ich głównym zadaniem jest mianowicie skonstruowanie prototypu małego teleskopu, a także wysokiej klasy luster kompozytowych i nowoczesnych kamer cyfrowych, w które mogą zostać wyposażone wszystkie urządzenia. Partycypacja w CTA to dla polskich badaczy znakomita szansa zarówno na udział w rozwoju innowacyjnych technologii, jak i w możliwych odkryciach w dziedzinie astrofizyki. Zdaniem naukowców obserwacja wysokoenergetycznych fotonów γ może nas bowiem przybliżyć do poznania tajemnic ciemnej energii i materii – dwóch wielkich zagadek współczesnej nauki.

Krzemowe oczy na tropie fotonów γ

W całym przedsięwzięciu uczestniczą także inżynierowie z Instytutu Elektroniki na Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji, którzy razem ze specjalistami z Obserwatorium Astronomicznego UJ oraz szwajcarskim zespołem naukowym z Uniwersytetu w Genewie zbudowali kamerę z ultraszybką elektroniką cyfrową. Opracowane przez nich urządzenie do rejestrowania promieni gamma wykorzystuje również innowacyjne fotopowielacze krzemowe, które zostały wyprodukowane specjalnie na potrzeby projektu przez japońską firmę Hamamatsu. Okazuje się, że zaproponowane tu rozwiązanie techniczne w wielu aspektach przewyższa konstrukcje opracowane przez pozostałe zagraniczne zespoły. Kamera oparta na fotopowielaczach półprzewodnikowych może na przykład działać nawet podczas księżycowych nocy, ponieważ detektory krzemowe nie ulegają oślepieniu – w przeciwieństwie do stosowanych dotychczas fotopowielaczy próżniowych. Co więcej, ma ona niewielkie gabaryty, a także opiera się na w pełni cyfrowym oraz programowalnym koncepcie, nazwanym DigiCam. Ważną rolę przy skonstruowaniu kamery odegrali pomysłowi elektronicy z AGH, działający pod kierownictwem dr. inż. Pawła Rajdy.

W pełni cyfrowa kamera skonstruowana we współpracy ze szwajcarskimi badaczami. Źródło: Instytut Elektroniki AGH

– Pierwszym doniosłym osiągnięciem uczonych z AGH i UJ jest zastosowanie w konstrukcji kamery szybkich przetworników analogowo-cyfrowych na wczesnym etapie obróbki sygnałów. Dzięki temu można było zbudować tor przetwarzania sygnałów działający w domenie cyfrowej, a nie – jak dotychczas – analogowej. Konstrukcja ta została oparta na programowalnych układach cyfrowych, pozwalających łatwo modyfikować architekturę sprzętu, co stanowiło korzyść z punktu widzenia tego projektu. Był to pomysł badaczy z Niemiec, z którymi na początku ściśle współpracowaliśmy. Naukowcy zza Odry byli przy tym zwolennikami wykorzystania fotopowielaczy próżniowych, natomiast my razem z zespołem ze Szwajcarii postanowiliśmy zrobić użytek z nowych na rynku fotopowielaczy krzemowych i tu nasze drogi się rozeszły. Fotopowielacze krzemowe, mimo pewnych wad, mają także wiele istotnych zalet, które dla nas wydawały się kluczowe – wymagały mniejszego napięcia zasilania (ok. 70 V, nie 1000-2000 V), były bardziej deterministyczne, jeśli chodzi o detekcję fotonów, a także pozwoliły niemalże trzykrotnie zmniejszyć rozmiar i wagę cyfrowej kamery. Aby osiągnąć ten zwiększony stopień integracji aparatury, zastosowaliśmy masowo w jej konstrukcji szybkie szeregowe interfejsy cyfrowe, przesyłające dane z prędkością 8 gigabitów na sekundę. Ten pomysł wraz z jego realizacją stanowi nasze drugie ważne, w pełni autorskie osiągnięcie. Cała kamera jest w istocie wysoce wyspecjalizowanym systemem obliczeniowym, przetwarzającym dane wejściowe z detektorów z prędkością ponad 4 terabitów na sekundę! – opowiada dr inż. Paweł Rajda.

Dzięki tej nowoczesnej kamerze, w którą wyposażono mały prototypowy teleskop o nazwie SST-1M, w 2017 r. w czasie wykonywania testów na terenie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie zaobserwowano pierwszy foton γ, co stanowiło zwieńczenie wysiłków i potwierdzenie słuszności zrealizowanych koncepcji. Na ten moment w projekcie SST-1M bierze udział aż kilkanaście instytucji naukowych z 4 krajów (Polski, Szwajcarii, Czech i Ukrainy), których prace są koordynowane przez badaczy z Uniwersytetu Genewskiego. Prototypowy teleskop znajduje się obecnie w Obserwatorium Astronomicznym w Ondřejovie, gdzie 23 lutego br. w czasie kolejnych testów zarejestrował nowe błyski promieniowania Czerenkowa, spowodowane przez wysokoenergetyczne fotony γ. Niebawem dołączy do niego drugie, bliźniacze urządzenie, które prawdopodobnie w kwietniu zostanie wyposażone w kamerę, po czym oba instrumenty rozpoczną działanie w trybie stereoskopowym. Można tu zatem mówić o sukcesie, w którym duży udział mają inżynierowie z AGH, wzbogacający projekt rozległą wiedzą z zakresu nowych technologii.

Teleskop SST-1M zbierający dane w Obserwatorium Astronomicznym w Ondřejovie. Źródło www.obserwatorium-cta.pl/