Astronomové vědí, že úhlová rozlišovací schopnost dalekohledu je dána poměrem průměru apertury (objektivu nebo hlavního zrcadla) k délce vlny. A protože hvězdná velikost je vztažena k jejímu průměru a svítivosti, je jasné, ze čím větší dalekohled, tím větší šance spatřit či vyfotografovat slabší a vzdálenější objekt.
Samozřejmě vetší dalekohled stojí více peněz a také se stoupajícím průměrem zrcadla nastupují potíže s přesností jeho tvaru; paraboloidu. Odchylky od ideálního paraboloidu musejí být menší než 1/8 vlnové délky. U optických dalekohledů musí proto byt zrcadlo podepřeno masivní konstrukcí, nejlépe ze stejného materiálu, aby teplotní roztažnost nebortila přesný povrch. Když se velké zrcadlo naklání a když na jeho část svítí slunce či fouká vítr, nastanou potíže.
K jejích odstranění nastupuje technika "aktivního" povrchu, který lze korigovat často dosti rychle pomoci počítačem řízených systému. Jeden přiklad je Keckův teleskop na Havaji: průměr zrcadla je 10 metrů, ale samo zrcadlo je rozděleno na menší segmenty, jejích polohu řídi počítač tak, aby při naklánění a změnách teploty zrcadlo dokonale ostřilo.
Když už tohle funguje, přicházejí další potíže: atmosféra Země není vakuum, ale vzduch, s různou hustotou a teplotou v různých výškách. Vyvinula se komplexní metoda adaptivních optických systémů (samozřejmě počato vojáky), které dokážou jemnými a rychlými pohyby optických povrchů zrcadel kompenzovat opticky nedokonalou atmosféru i nepřesnosti dalekohledu. Aby to všechno dobře fungovalo, systém vyžaduje referenční hvězdu v zorném poli. Není-li tam vhodná hvězda, vyšle se do atmosféry paprsek zeleného světla a z jeho výkyvu systém dokáže optiku korigovat. V Arizoně a jinde takové zázraky stojí a jejích výsledky se prý vyrovnají fotografiím z Hubblova teleskopu, který před mizernou atmosférou unikl prostě nad ní, na oběžnou dráhu.
Teleskop LMT-GTM na Sierra Negra v Mexiku. Pro zvětšení klikněte na obrázek! Rádiová astronomie kromě toho, že musí detekovat řádově mnohem slabší rádiové zdroje ve vesmíru než jsou ty optické, potřebuje zrcadla co největší v poměru k délce použité vlny. Proti optickým ovšem radioteleskopy nemají šanci. Zatímco viditelné světlo má typickou vlnovou délku 650 nm (0,65 mikrometrů), rádiové vlny mají obvykle délky od ~1 mm do 30 metrů. Potřebovali bychom tedy k dosažení srovnatelného úhlového rozlišeni antény aspoň tisíckrát větší v průměru než obvyklý dalekohled. A při rozměrech velkých antén nad deset metrů zase nedovedeme udržet přesně jejích povrch; použitelnost antén k pozorováni na milimetrových vlnách klesá.
Velké rádiové antény
Rádiová astronomie se postupně vyvíjí od konce II.světové války. Začalo to všechno tím, že po skončení bojů bylo najednou plno radarové techniky, s parabolickými a jinými anténami, citlivé přijímače a měřicí přístroje. Během 40.let Američan Grote Reber amatérsky vybudoval na své zahrádce radioteleskop s parabolickou anténou o průměru 9 metrů. Pokoušel se postavit různé přijímače a detekovat nějaké signály z vesmíru, na které upozornil v roce 1922 Jansky. Janskému se podařilo během výzkumu rušeni krátkovlnného spojeni na vlnách o délce ~15 m pozorovat pomalu se měnicí šum. Úroveň šumu se měnila s periodou hvězdného dne, takže usoudil, že šum pochází z mimozemského zdroje a odhadl polohu na souhvězdí Střelce (Sagittarius).
Dnes víme, že původ pravděpodobně byl ve středu Galaxie. Mnoho let se o objev nikdo nezajímal, až Reber. Po mnoha neúspěšných pokusech registroval rádiový šum Galaxie na vlně 180 cm dlouhé v roce 1943. Další potíž byla v tom, že jeho článek považovali redaktoři astronomických časopisů za žert a trvalo asi rok, než došlo ke zveřejnění. Potají objevili záření ze Slunce údajně Japonci již v roce 1937, v roce 1941 Němci detekovali Měsíc svým radarem Mammut a v roce 1942 detekovaly britské radary sluneční šum a obsluha to považovala za německé rušení.
Teleskop LMT-GTM na Sierra Negra v Mexiku. Astronomové využili mikrovlnnou a rádiovou techniku, aby pozorovali rádiový šum jako Reber a rychle došli k potřebě použit větší antény, aby mohli detekovat šum ze Slunce a dalších zdrojů. V padesátých letech se začaly budovat velké antény v Anglii (Jodrell Bank, 76 metrů pohyblivý paraboloid, nejkratší vlnová délka asi 0,2 m), v USA (Green Bank plně pohyblivá parabola, 60 m, 10 cm), v Austrálii (Parkes, 90 m, 20 cm), v SSSR, později v Německu, Japonsku atd.
Omezení možností takových obřích konstrukcí je zřejmé: ocelová podpůrná struktura se prohýbá svou vahou. I zrcadla podle nastaveni elevačního úhlu. Tuhost konstrukce je namáhána větrem (často nebezpečné), únavou materiálu a proměnlivou teplotou včetně ozáření a ohřevu částí Sluncem.
Přes obří rozměry nemohou takové antény pracovat s velmi krátkými vlnami (mikrovlnami), diky jimž by se mohla zvýšit úhlová rozlišovací schopnost. Jejích tvar nelze udržet přesně parabolický. Vzniklo proto množství nových konstrukci i metod.
Nejdůležitější z takových metod je použití interferometru, tedy více menších antén, propojených mezi sebou. Vzdálenost mezi nimi, tzv. báze, určuje úhlové rozlišení. Pouhým oddálením antén získáme rozlišení obdobné apertuře o průměru rovném té bázi. Potíž je v tom, že původně jednoduchý svazek vyzařovacího diagramu jednoduché antény se změní: vznikne vějířový svazek s mnoha laloky a nový problém nastane tím, že přijímač pojednou neví, ze kterého zdroje (na nebi je zdrojů mnoho) daný výstupní šum pochází.
K rozboru problému je nutný počítač, který z mnoha měření pořízených během hodiny nebo dne, vybere jen žádoucí odezvu. Další možností je vzdálenost mezi anténami během pozorováni měnit – proto jsou podobné systémy antén na kolejích. A opět potřebujeme ke třídění dat počítač.
S interferometry, někdy rozestavěnými i přes průměr Země s jednou anténou na oběžné dráze, se tak konečně podařilo konkurovat úhlovému rozlišení optických dalekohledů. Mimochodem, dnes se buduji i optické interferometry, takže se radioastronomické metody hodí i v optice.
Rozestavěný LMT-GTM v srpnu 2005Na druhé straně jednoduchý paraboloid představuje nejlepší řešeni pro pozorovatele, který chce přístrojem něco objevit či pořídit podrobnou mapu oblasti vesmíru. Jednoduchý paraboloid má jedinou a jednoznačnou odezvu a nepotřebuje k rozboru počítač, takže nemůže dojít k záměnám a omylům. Zájem astronomů se postupně přesouvá k milimetrovým a submilimetrovým vlnám, zejména proto, že představují dosud málo prozkoumanou část elektromagnetického spektra; další atrakce je spektroskopická detekce organických sloučenin ve vesmíru.
Milimetrová radioastronomie
Milimetrové vlny z kosmu mají ovšem potíž: průnik atmosférou je místy omezen, jak vodní parou a srážkami, tak absorpci kyslíkem, dusíkem, CO, CO2. Proto se obvykle hledá pro radioteleskop určený k pozorování na mm vlnách místo tam, kde je vliv atmosféry co nejmenší: na vysokých horách. Očekává se, že tam bude vlhkost ovzduší malá, kyslík řidší a znečištění také.
V případě LMT-GTM se k budováni nového radioteleskopu v Mexiku odhodlali astronomové z University of Massachusetts (Umass) v Amherstu proto, že si sami postavili v 80.letech krásný milimetrový radioteleskop poblíž Amherstu, ale protože ho postavili v lesích u jezera, vlhkost ovzduší jim dovolovala pozorovat na mm vlnách více méně pouze v zimě. Tehdy je vzduch sušší a milimetrovým vlnám tolik nevadí. Proti větru a srážkám je anténa o průměru 15 m chráněna dielektrickým krytem. Jejích přístroj provozuje nejméně pět škol (FCRAO- Five College Radio Astronomy Observatory) a dosáhli s nim řady významných objevů.
FCRAO- Five College Radio Astronomy Observatory Protože vlhkost ovzduší a hustota atmosféry poměrně značně ovlivňuje možnost využití radioteleskopu FCRAO, rozhodli se astronomové z Umass, že jakmile získají prostředky, pokusí se postavit co největší radioteleskop s co nejdokonalejší anténou a umístí ho na vysoké hoře. A protože v Mexiku je asi 160 kopců nad 4000 m vysokých, mělo by to být někde v Mexiku.
Oslovili mexické astronomy z UNAMu – Mexické národní autonomní univerzity v Mexiko, D.F., a z INAOE - Národního ústavu pro astronomii, optiku a elektroniku v Tonantzintle. Kromě rozsáhlého projektu pokud jde o technickou inovaci šlo také a hlavně o peníze.
V roce 1989 jsem působil v Mexiku ve výzkumném středisku národní polytechniky CINVESTAV-IPN a vyučoval spojovou techniku a družicové spoje. Abych se nenudil, někteří kolegové mně zvali na přednášky a konference po cele zemi. Mým koníčkem je mikrovlnná technika, družicové spoje a radioastronomie a tak jsem měl obvykle zajímavá témata k přednáškám a seznamoval jsem se s mnoha odborníky z různých oborů. Po přednášce na UNAMu o mikrovlnách a radioastronomii za mnou přišli astronomové, kteří se zajímali, zda bych jim mohl poradit při výstavbě malého radioteleskopu. Pořídili si parabolickou anténu o průměru 7 metrů, ale při prohlídce jsme zjistili, že je značně poškozená. Na další schůzku jsem přinesl nějaké své články a fotografie, jak jsem si kdysi v Praze postavil malý radioteleskop na sluneční šum. Moc mi nevěřili, a tak jsem s kolegyní Amandou Gomez připravil malou ukázku. Amanda tehdy dostala darem od rodičů svého studenta družicový přijímač Uniden na pásmo 4 GHz (v USA se tam vysílala televise z družic). Protože sama vyučovala anténní techniku, postavila si k přijímači sama malou parabolickou anténu, asi 1,2 m v průměru, s drátěného pletiva. Konstrukce byla jednoduchá, ale k přijmu televize stačila.
Teleskop LMT-GTM na Sierra Negra v Mexiku. Pro zvětšení klikněte na obrázek! Jednoho odpoledne jsme se spolu vydali na střechu její laboratoře, otočili anténu z družice na sluníčko; přinesl jsem svůj FM přijímač a použil ho jako indikátor. Amanda užasla - její přijímač skutečně zachytil sluneční šum! Po chvilce zavolala mexické astronomy a užasli všichni: takhle lacino se dá pořídit radioteleskop?!Oni studovali radioastronomii a často jezdili na výzkumné pobyty do USA. Tam jim předvedli své veliké, skvělé a drahé přístroje s velikými anténami, takže byli přesvědčeni, že na cokoli musejí opatřit nejméně milion dolarů!
Když jsem v roce 1992 ukončil výzkumný pobyt v Japonsku, přišlo mi pozváni z UNAMu. Kolegové astronomové nezapomněli – nabídli mi slušný plat a zajímavý program: přijedou astronomové z Umass, projednat přípravu velikého radioteleskopu. A Polívka byl tehdy prý „jediný Mexičan, který věděl něco o mikrovlnách“! Přečetl jsem dokumentaci a hned se "kvalifikoval" otázkou: kde máte, pánové, referenční paraboloid k nastavováni té 50-metrové antény? Tehdy jsme si vysvětlili, že ani tvůrci projektu nevěděli. Předpokládali ( a příští dva roky to hodlají vyzkoušet), že s hrubě nastaveným radioteleskopem budou postupně snímkovat různé již známé objekty a postupně doostřovat anténu přestavováním 126 segmentů, jak ji zkonstruovali na univerzitě v Lowellu v Massachusetts. Po mnoha takových pokusech má být dostatek údajů k průběžnému nastavení antény v každé poloze.
V rámci návštěvy z Umass jsme také zlezli několik kopců : sopku u Toluky a horu u Queretara. Vrcholky měly něco přes 4000 metrů a tam nás čekalo překvapení: Krakonošova zahrádka; hustá vegetace a kytičky, zatímco okolo byla sucha poušť. Z Pacifiku totiž táhnou mraky k východu a vláha z nich se často srazí právě na vrcholcích mexických velehor.
Proto jsme dohodli široký průzkum: Mexičané soustředí letecké fotografie všech mexických kopců nad 4000m, Umass dodá radiometr na 220 GHz, který se umístí na některé vybrané hoře; radiometr detekuje mikrovlnné záření vodní píry v ovzduší a za rok či dva se uvidí.
V letech 1975-88 jsem pracoval ve Výzkumném ústavě spojů v Praze. Zabývali jsme se výzkumem atmosféry pro potřeby plánováni družicových spojů. Bylo známo, že vodní srážky i mraky zeslabují mikrovlny, zejména ty z budoucích družic. Potřebovali jsme vědět, jak silně bude družicový signál tlumen a jak často k tomu může za rok dojít. Tehdy nebyly družice, které by vysílaly signál v pásmech 12 a 18 GHz, kde se televize a data přenášejí dnes. Vyvinul jsem radiometry, které detekovaly šum vyzařovaný vodou a mraky a po několika letech jsem potřebná data získal. Nabídl jsem, že takové radiometry můžeme také vyvinout a měřit vlhkost ovzduší na vybraných mexických horách. Návrh byl nadšeně přijat a tak jsem se dal do shánění součástek.
V Mexiku, D.F. lze opatřit cokoli z elektroniky v ulici Salvador. Jak jsem zjistil, kromě mikrovlnných součástek. Ty se totiž nepoužívají ve spotřební elektronice. Proto jsem oslovil řadu světových firem a požádal o nabídky.Brzy přišlo několik nabídek, od součástek po téměř celé radiometry. Nejlepší nabídka přišla od Spacek.Labs. v Santa Barbaře a mojí nadřízení v UNAMu od firmy radiometr objednali. Po několika týdnech jsem byl vyslán na přejímku do Santa Barbary. Radiometr fungoval výborně a pan Spacek mi hned nabízel místo. Odmítl jsem , protože jsem měl smlouvu na rok, a projekt GTM vypadal velice lákavě.
Pohled z hory Sierra Negra vulkán Popocatépetl. Pro zvětšení klikněte na obrázek! Hned po mém návratu do Mexika, na podzim 1993, se prezidentem USA stal Bill Clinton. A ten v rámci šetření program LMT-GTM zrušil. Na UNAMu mi smlouvu nemohli prodloužit a nezbylo mi než začít pracovat u Spacek Labs. v Santa Barbare. Mám zaměstnáni mých snů, vyvíjíme spoustu zajímavých součástek a systému na milimetrové vlny, včetně zařízení pro radioteleskopy na celém světě.
A protože jsem skutečně velmi zaměstnán, a protože mexičtí ani američtí kolegové se už neozvali, dověděl jsem se s překvapením až v roce 2004 z Internetu, že peníze na projekt opatřil senátor Kennedy ze zbrojního rozpočtu (!) a že LMT se bude brzy dokončovat na Sierra Negra u Puebly, kde díky radiometrickému měření zjistili nejméně vlhkosti v ovzduší. Sierra Negra je totiž poměrně daleko od Pacifiku, takže na ní se vlhkost z mraků nesrazí jako jinde. A že koncem roku 2004 začne LMT fungovat.
Jak víme, bylo nutno počkat ještě dva další roky. Teď konečně je hračka v provozu a další dva roky se bude pracovat na odpovědi na mou otázku z roku 1993 „Kde je referenční paraboloid?“
Popis LMT-GTM
Large Millimeter Telescope nebo Gran Telescopio Milimetrico je radioteleskop s plně pohyblivou anténou o celkovém průměru 50 metrů. Anténa je složena z asi 160 segmentů, které jsou umístěny na dálkově ovládaných podpěrách tak, aby řídicí počítač mohl nastavovat jejích polohu. To je nezbytné k tomu, aby anténa ostřila a byla použitelná i v pásmu 100-320 GHz (3 mm až < 1 mm vlnové délky).
Teleskop LMT-GTM na Sierra Negra v Mexiku. Pro zvětšení klikněte na obrázek! Anténní soustava je typu Cassegrain, takže konečné ohnisko je pod vrcholem parabolického reflektoru. Tam je připravena kabina přijímačů. Počítá se s vícekanálovými přijímači typu zobrazovací matice (podobně jako v optice CCD), s až 20x20 prvky, připravují se různé spektroskopické přijímače atd. V uvedeném kmitočtovém pásmu totiž rezonují molekuly různých organických sloučenin a právě o ně, jejích rozložení, teploty, složení a pohyb se astronomové velmi zajímají.
Anténa samozřejmě může sloužit i k průzkumu vesmíru na delších vlnách, takže instalace a provoz různých přijímačů bude řízena komisí vědeckých odborníků, aby se přednostně dostalo na nejzajímavější projekty pozorováni.
Pohybové zařízení radioteleskopu sestava z "alhidady", tedy podstavce, který v azimutu pojíždí po kruhovém kolejišti; elevační úhel lze nastavovat od –10 stupňů do >90 stupňů pomocí páru pohonu ozubených polo-věnců po obou stranách svisle osy. Proti ochlazováni větrem je za reflektorem stínící pouzdro.
Veškeré obrázky a mnoho dalšího najde zájemce na www.lmtgtm.org. V úvodu si hlavně všimněte grafu, ukazujícího vlhkost vzduchu v daném místě během roku. Graf byl pořízen právě pomocí radiometrů, které detekují hustotu vodní páry z její tepelné emise. Z grafu je dobře vidět, že přes všechnu snahu bude použitelnost LMT v letních měsících omezena. Budou "vidět" jen intenzivnější zdroje.
Graf znázorňující vlhkost vzduchu na Sierra Negra během roku Původní projekt počítal s kulovým ochranným dielektrickým krytem, jaký můžete vidět na anténách některých meteorologických radarů. Původní rozpočet byl asi 20 milionů USD (polovina Mexiko, polovina USA), nyní se uvádí , že LMT stál 120 mil.USD.
Složité bylo takové monstrum vůbec na Sierra Negra dostat a vybudovat celou konstrukci. Sopečná půda není spolehlivým základem, takže téměř dva roky byly budovány jen základy. Většina oceli pochází z mexických továren, možná že i počítače a něco z elektroniky. Americká strana zajistila vše od koncepce přes konstrukci, řízení kvality až po přijímací a řídicí systémy.
Mexická vlajka na vstupních dveřích do laboratoře teleskopu LMT-GTM v den slavnostního zahájení – 22.listopadu 2006. Pro zvětšení klikněte na obrázek! Od roku 1993 , kdy jsem v INAOE a UNAMu pořádal kursy mikrovlnné techniky a radioastronomických přístrojů, uplynulo již 13 let. Moji studenti (aspoň někteří) vychovali další generaci technicky i vědecky schopných Mexičanů. Na Umass mohli někteří z nich studovat a další se již chystají.
Jak pravili řečníci při uvedení do provozu 22. listopadu (pokud popadli dech ve výšce 4850 m) , Mexiko tímto přístrojem získává mnoho šancí uplatnit se nejen ve světové astronomii. Nové příležitosti se nabízejí i zájemcům o strojní a elektronické inženýrství, o mikrovlnnou a milimetrovou techniku.
Věnování exprezidenta Mexika Vicente Foxe... hodně úspěchů Gran Telescopio Milimetrico! Počkejme si na první výsledky pozorování. Velká anténa je jen první krok.