Astronomer vid Chalmers ingår i ett internationellt forskarlag som nu publicerar unikt detaljrika bilder som visar upp galaxers innanmäten och hur de fungerar. Bakom bilderna ligger nästan tio års arbete med teleskopet Lofar, ett nätverk av fler än 70 000 antenner spridda över nio europeiska länder, däribland Sverige.

Synligt ljus utgör bara en bråkdel av den elektromagnetiska strålningen som genomsyrar vårt universum. Från gammastrålning och röntgenstrålar med kort våglängd till mikrovågor och radiovågor avslöjar ljuset i varje del av spektrumet något unikt om universum.

Antennerna som utgör teleskopet Lofar fångar upp radiovågor med ungefär samma frekvenser som FM-radio. Till skillnad från teleskop som är känsliga för synligt ljus kan Lofar se igenom de moln av damm och gas i rymden som annars skymmer sikten. Områden på himlen som verkar mörka för våra ögon kan istället lysa starkt i radiovågor. Med hjälp av radioteleskop som Lofar kan astronomer titta rakt in i områden där nya stjärnor bildas, eller in i galaxernas hjärtan.

De nya bilderna flyttar gränserna för vad vi vet om galaxer och om supermassiva svarta hål, en bedrift som möjliggjorts tack vare ett internationellt samarbete. I ett specialnummer av den vetenskapliga tidskriften Astronomy & Astrophysics publiceras forskningsartiklar som beskriver bilderna och forskningsresultaten. I forskarlaget, som leds av astronomen Leah Morabito vid Durhamuniversitetet i Storbritannien, ingår Chalmersastronomerna John Conway och Eskil Varenius, samt Deepika Venkattu, doktorand vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet.

Bilderna visar upp den inre mekaniken i närliggande och avlägsna galaxer med en bildskärpa som är 20 gånger skarpare än vad som uppnåtts hittills med Lofar. Bakom språnget ligger forskarlagets unika sätt att utnyttja teleskopets antenner.

Lofar:s fler än 70 000 antenner är spridda över hela Europa, de flesta i Nederländerna. I Sverige ligger en station med 192 antenner vid Onsala rymdobservatorium i norra Halland. Nätverket av antenner fungerar som ett virtuellt teleskop. När endast Lofar:s antenner i Nederländerna används kan de skapa bilder med lika bra upplösning som en parabol med en diameter på 120 kilometer. Genom att använda signalerna från samtliga antenner tvärs över Europa har forskarna kunnat uppnå en 20 gånger högre upplösning – motsvarande ett teleskop nästan 2 000 kilometer tvärsöver.

Vanliga uppställningar av antenner kombinerar signaler i realtid för att producera bilder. Lofar använder istället ett nytt koncept där signalerna som samlas in av varje antenn digitaliseras, transporteras till en central processor och sedan kombineras för att skapa en bild. Varje Lofar-bild är resultatet av att kombinera signalerna från mer än 70 000 antenner, vilket är det som gör deras extraordinära upplösning möjlig.

– Med ett nätverk av antenner över hela Europa visar Lofar att det går att göra häpnadsväckande detaljerade bilder av ett universum som vi aldrig sett det förut, säger John Conway, professor i radioastronomi vid Chalmers, föreståndare för Onsala rymdobservatorium och medlem i forskarlaget.

I mitten av många galaxer ligger supermassiva svarta hål. En del av dessa svarta hål räknas som aktiva: de slukar infallande materia och skjuter samtidigt ut kraftfulla strålar och strömmar av gas och plasma. Dessa strålar, som är osynliga för våra ögon men lyser starkt i radiovågor, framträder tydligt i de nya högupplösta bilderna från Lofar.

– De här högupplösta bilderna gör det möjligt för oss att zooma in för att se vad som verkligen händer när supermassiva svarta hål skickar iväg radiostrålar, säger Neal Jackson vid University of Manchester, Storbritannien. Det är något som inte tidigare varit möjligt vid frekvenser runt FM-radiobandet.

Teamets arbete ligger till grund för nio vetenskapliga studier som avslöjar ny information om radiostrålarnas inre struktur i en mängd olika galaxer.

Redan innan Lofar:s driftstart 2012 började det europeiska forskarlaget arbeta med att möta en rejäl utmaning: att kombinera signalerna från mer än 70 000 antenner som ligger uppemot 2000 km från varandra. Resultatet blev en fritt tillgänglig samling programverktyg, som beskrivs i detalj i en av de vetenskapliga artiklarna, och som forskare kan använda för att bearbeta mätningarna gjorda med Lofar. Det kommer att göra det möjligt för astronomer från hela världen att använda teleskopet för att skapa högupplösta bilder.

– Vårt mål är att göra det möjligt för forskare att använda hela det europeiska nätverket av Lofar-teleskop för sin egen forskning, utan att behöva ägna åratal åt att bli expert, säger Leah Morabito.

Nu har det alltså blivit lättare att skapa Lofar-bilder, men beräkningarna som ligger bakom varje bild är både omfattande och utmanande. För att kunna avbilda himlen behöver data som samlats in av tiotusentals antenner sammanfogas, vilket är en beräkningstekniskt enorm uppgift. För att kunna ta fram varje bild måste mer än 13 terabit rådata per sekund – det motsvarar fler än trehundra dvd-skivor per sekund – digitaliseras, transporteras till en central processor och sedan kombineras.

– För att bearbeta sådana enorma datamängder måste vi använda superdatorer, säger teammedlemmen Frits Sweijen vid Leidenuniversitetet i Nederländerna. Med hjälp av dem kan vi på bara ett par dagar omvandla information från antennerna, som mäts i terabyte, till några få gigabyte med data som är redo att forskas på.

Det internationella Lofar-teleskopet (International Lofar Telescope) är ett europeiskt nätverk av radioantenner, med kärna i Exloo i Nederländerna. Lofar fungerar genom att kombinera signalerna från mer än 70 000 enskilda dipolantenner, belägna i stationer på flera platser i Nederländerna och i partnerländer i Europa. Stationerna kopplas samman med ett fiberoptiskt höghastighetsnätverk till kraftfulla datorer som används för att bearbeta radiosignalerna för att simulera en kontinentstor radioantenn med storlek på över 1300 kilometer. Dess känslighet, breda synfält och skarpa bildupplösning gör det Internationella Lofar-teleskopet till ett unikt instrument. Lofar:s dataarkiv är världens största astronomiska datasamling.

Lofar konstruerades och byggdes av Astron, det nederländska institutet för radioastronomi, som också driver teleskopet. Frankrike, Irland, Italien, Lettland, Nederländerna, Polen, Sverige, Storbritannien och Tyskland är alla partnerländer i International LOFAR Telescope.

Filed under: SvenskTeknik