Miska na 357 milionów paczek płatków. Wspomnienie radioteleskopu Arecibo

Stalowe liny pękły i 900-tonowa platforma z aparaturą badawczą runęła na ogromny talerz. Tak wyglądał ostateczny koniec długiej, 57-letniej kariery Obserwatorium Arecibo, pomnika ludzkiej ciekawości.

Obroniwszy doktorat, Ellie przyjęła propozycję docentury w Obserwatorium Arecibo: wielkiej misie liczącej 305 metrów, którą usadowiono w dnie otoczonej wzgórzami wapiennej doliny wśród gór północnozachodniego Puerto Rico. Niecierpliwie wyczekiwała okazji, by za pomocą największego radioteleskopu na świecie przeegzaminować, ile się tylko da astronomicznych obiektów: planet i gwiazd, centrum Galaktyki, pulsarów i kwazarów.

C. Sagan, “Kontakt”
Radioteleskop Arecibo w ekranizacji “Kontaktu”. Wciąż mam ciarki na plecach.

Pamiętam doskonale, gdy jako nastolatek podczas seansu ekranizacji Kontaktu, po raz pierwszy zobaczyłem majestatyczną czaszę radioteleskopu wkomponowaną w egzotyczny krajobraz lasu deszczowego. Byłem zauroczony nie mniej od głównej bohaterki. I chociaż tylko siedziałem przed telewizorem, nie miałem żadnej wątpliwości, dlaczego Carl Sagan i inni autorzy upodobali sobie właśnie Arecibo jako dekorację dla swoich fantastycznonaukowych historii.

Musimy jednak pamiętać, że poza romantyczną aurą, podkreślaną przez malowniczą scenerię oraz ekscytującą wizję polowania na obcą cywilizację, mówimy przede wszystkim o poważnym instrumencie naukowym. Jednym z najważniejszych obserwatoriów astronomicznych w dziejach.

Obserwatorium jonosfery

Sam pomysł radioteleskopu wyszedł od fizyków jonosfery z Uniwersytetu Cornella i początkowo wcale nie zapowiadał niczego spektakularnego. Krąży nawet zaskakująca plotka (powielam ją tylko dlatego, że wspomniał o niej Frank Drake), jakoby rozmiary urządzenia były efektem błędu w obliczeniach. Podobno do analizy położonej 50 kilometrów nad ziemią jonosfery, uczonym wystarczyłaby czasza o średnicy około 30 metrów, jednak wskutek czyjejś omyłki w planach znalazła się wartość dziesięciokrotnie większa. A skoro żaden urzędnik nie zgłosił po drodze weta, naukowcy nie widzieli potrzeby wprowadzenia korekty. W końcu, zawsze lepiej dostać większy teleskop niż mniejszy.

Tylko gdzie i jak takiego kolosa skonstruować?

Tradycyjne obserwatoria optyczne zwykło się umieszczać na wzniesieniach, tam gdzie powietrze jest najrzadsze i najmniej zanieczyszczone. Radioteleskopy odwrotnie, wznoszone są w dolinach, miejscach możliwie odizolowanych od towarzyszących miastom zakłóceń radiowych. Za poszukiwaniem naturalnej niecki przemawia również walor ekonomiczny. Taniej i solidniej było położyć olbrzymią misę w gotowym zagłębieniu, niż wykopywać odpowiedni dół lub wznosić pasujące fundamenty na płaskim terenie.

Wybór fizyków z Uniwersytetu Cornella padł na lej krasowy w okolicy Barrio Esperanza, godzinę jazdy samochodem od San Juan, stolicy Portoryko. Karaibska wyspa spełniała wszystkie wymogi: była kontrolowana przez rząd w Waszyngtonie, wciąż dość dzika i położona tysiąc kilometrów bliżej równika niż Floryda.

Radioteleskop Arecibo niedługo po wybudowaniu
Tak prezentowała się antena teleskopu Arecibo niedługo po wybudowaniu (fot. The LIFE Picture Collection via Getty Images).

Ścisłą lokalizację wybrał w sprytny sposób badacz jonosfery i główny orędownik budowy, William Gordon. Naukowiec rozłożył na stole mapy ukształtowania terenu wyspy o skali, w której 300 metrów w terenie odpowiadało średnicy ćwierćdolarówki. Następnie przesuwał monetą po papierze tak długo, aż natrafił na pasujące okrągłe wgłębienie.

Największa misa świata

Prace ruszyły z impetem w roku 1960 i zostały zakończone już po trzech latach. Wapienną wkłęsłość wypełniło sferyczne zwierciadło zbudowane z ponad 38 tysięcy aluminiowych paneli, mierzące dokładnie 305 metrów średnicy. Był to absolutny rekord rozmiarów sprzętu astronomicznego[1], zakwestionowany dopiero niedawno przez chińskie obserwatorium FAST (Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope). Późniejszy dyrektor kompleksu (w latach 1966-1968), Frank Drake, policzył kiedyś dla zabawy, że rozległa czasza pomieściłaby 357 milionów paczek płatków kukurydzianych.

Jednak samo zwierciadło, bez względu na wielkość, służy jedynie odbijaniu i ogniskowaniu sygnału. Potrzebny był jeszcze adekwatnie okazały detektor. Początkowo rozważano umieszczenie aparatury na wysokiej wieży sterczącej z centrum talerza. Takie rozwiązanie pewnie zadowoliłoby fizyków atmosfery, jednak niekoniecznie badaczy kosmosu.

Pewnie kojarzycie nagrania przedstawiające mniejsze radioteleskopy, których talerze wykonują ospałe ruchy, celując w wybrane punkty sunące po nieboskłonie. Z uwagi na niestandardowe gabaryty, w przeciwieństwie do konkurencji, reflektor Arecibo pozostawał całkowicie statyczny. W tej sytuacji jedyną drogą do zapewnienia choćby szczątkowej sterowności było zainstalowanie mobilnego detektora. Inżynieryjna ekwilibrystyka tego przedsięwzięcia nawet dziś robi wrażenie. Dookoła zwierciadła rozmieszczono trzy żelbetonowe wieże o wysokości dwudziestopiętrowego budynku. Z każdej wychodził zestaw grubych stalowych lin podtrzymujących trójkątną platformę dyndającą 150 metrów ponad rozległą misą. Aparaturę konieczną do zbierania odbitych fal radiowych podwieszono poniżej platformy za pośrednictwem pierścienia pozwalającego na wykonanie dowolnych obrotów. Całe żelastwo i elektronika ważyły 900 ton.

Platforma z aparaturą badawczą teleskopu Arecibo
Trójkątna platforma z podczepioną aparaturą nadajnika.

Konstrukcja stanowiła wielkie osiągnięcie naukowej inżynierii. Wielkie i przy okazji niezwykle efektowne, co doceniali również laicy. “El Radar” – jak mówili miejscowi – z czasem stał się jedną z głównych atrakcji turystycznych wyspy.

Wielki teleskop, wielkie odkrycia

Skąd tyle zachodu dla obserwatorium, które zamiast pięknego zdjęcia może wypluć co najwyżej trudny do ogarnięcia wykres[2]? Musimy mieć na uwadze, że światło widzialne to tylko drobny wycinek szerokiego spektrum promieniowania docierającego do nas z każdego kierunku. Długie fale radiowe, choć delikatne, mają tę zaletę, że w minimalnym stopniu podlegają rozproszeniu. Takie fotony są w stanie przedrzeć się przez ośrodek międzygwiezdny, przynosząc nam bezcenne informacje o obiektach schowanych za obłokami pyłów i gazów, oddalonych o tysiące, miliony, a jeśli trzeba, nawet miliardy lat świetlnych. Niektóre struktury we wszechświecie znamy niemal wyłącznie dzięki pracy radioastronomów, zaś rekordowa antena Arecibo przez dekady odgrywała w tych analizach rolę szczególną.

Joy Division i pulsar CP1919
Okładka albumu Unknown Pleasures zespołu Joy Division z 1979 roku. Tajemnicza grafika przedstawia zapis fal radiowych pulsara CP1919 analizowanego w Arecibo przez doktoranta Harolda Crafta. Zdumiewający przykład jak nauka inspiruje i przenika kulturę masową.

Trudno byłoby wymienić każde istotne odkrycie dokonane w Portoryko, więc ograniczę się tylko do piątki moim zdaniem najciekawszych.

  • Już w pierwszym roku funkcjonowania, naukowcy użyli nowego sprzętu do ustalenia tempa obrotu Merkurego wokół własnej osi. Bliskość Słońca utrudniała precyzyjne obserwacje optyczne i dopiero prace Gordona Pettengilla oraz Rolfa Dyce’a pozwoliły wyliczyć, że tamtejsza doba jest 59 razy dłuższa od ziemskiej. Przy okazji obalono hipotezę jakoby Merkury rotował synchronicznie, tj. jego ruch obrotowy był równy ruchowi obiegowemu.
  • Russell Hulse i Joseph Taylor zarejestrowali dzięki Arecibo pierwszy podwójny układ pulsarów. System PSR B1913+16 okazał się cenny dla teoretyków fizyki relatywistycznej, upatrujących w nim dowodu na powolne wytracanie energii emitowanej pod postacią fal grawitacyjnych. Głównie dlatego odkrycie doczekało się Nagrody Nobla w roku 1993.
  • Gwiazdy neutronowe z reguły wirują z niesłychaną prędkością, jednak odkryty w 1982 roku PSR B1937+21 zszokował świat astronomii, osiągając 642 obroty na sekundę. W Arecibo uchwycono pierwszy obiekt należący do klasy pulsarów milisekundowych.
  • Jest i polski akcent. To właśnie podczas pobytu w Portoryko Aleksander Wolszczan oraz Dale Frail przeanalizowali sygnały docierające z pulsara PSR 1257+12 (zwanego też bardziej literacko Lichem), odnajdując w nim prawdopodobne ślady pierwszych planet pozasłonecznych.
  • W ostatnich latach Arecibo przysłużyło się również do zgłębienia tajemnicy błysków FRB. Co prawda pierwszy sygnał odebrało australijskie Obserwatorium Parkes, ale to na Karaibach w 2016 roku złapano nietypowy, powtarzalny FRB.

Jak łatwo zauważyć, 305-metrowy radioteleskop pozostawał równie użyteczny właściwie przez cały okres swojego funkcjonowania. Pracowały przy nim trzy pokolenia uczonych, którzy opublikowali setki prac na temat gwiazd neutronowych, ale także planet, planetoid oraz kwazarów.

A jednak, mimo tak bogatego CV, większość ludzi i tak będzie zawsze kojarzyć Arecibo z programem poszukiwania inteligencji pozaziemskiej.

Nieodebrany telefon

Założenie wydaje się proste: większość cywilizacji technicznych powinna prędzej czy później odkryć radiową część widma elektromagnetycznego. Nawet jeżeli są bardzo zaawansowane i na co dzień posługują się innymi, nieznanymi nam metodami komunikacji, prawdopodobnie nadal nadają oraz nasłuchują sygnałów radiowych – jako czegoś uniwersalnego. (Oczywiście pod warunkiem, że w ogóle łakną kontaktu z kosmicznymi sąsiadami).

Uruchomieniu Arecibo towarzyszyło zrozumiałe podniecenie, zwłaszcza wśród ojców zainicjowanego niedługo wcześniej projektu SETI. Raczej nikt marzył o rychłym odebraniu telegramu od obcych, ale olbrzymia antena niosła nadzieję na rozpoczęcie polowania z prawdziwego zdarzenia, a nawet na coś więcej.

Wspominany już Frank Drake – jeden z najgorliwszych orędowników SETI – zaproponował, aby nie ograniczać się do roli biernego słuchacza. Kiedy fale radiowe trafiają do anteny, są przez nią odbijane, ogniskowane na detektorze i analizowane. Jeśli jednak zastąpimy detektor nadajnikiem, urządzenie zadziała odwrotnie: sygnał odbije się od zwierciadła i wystrzeli w kosmos. Niepospolite parametry Arecibo pozwalały na posłanie elektromagnetycznego odpowiednika wiadomości w butelce z niedostępną wcześniej energią. Jak pisał Carl Sagan, portorykańskie obserwatorium byłoby w stanie skontaktować się z podobnym aparatem oddalonym o więcej niż 15 tysięcy lat świetlnych. A to już całkiem spory fragment Drogi Mlecznej, wypełniony setkami milionów gwiazd. Szkopuł w tym, że mówimy o zasięgu zwartej wiązki wycelowanej w konkretnym kierunku.

Mimo to podjęto próbę “strzelając” anteną wycelowaną w oddaloną o 25 tysięcy lat świetlnych gromadę kulistą M13 w konstelacji Herkulesa. Sygnał składał się z 1679 bitów zawierających kilka elementarnych informacji o człowieku, DNA i Układzie Słonecznym.

Treść wiadomości Arecibo
Graficzny zapis tzw. wiadomości Arecibo.

Był to bardziej sprawdzian technicznych możliwości, jak również sposób na przyciągnięcie sponsorów, aniżeli szczere zaproszenie do międzygwiezdnej konwersacji. Wiadomość nie ma nawet szansy trafienia do wyznaczonego celu[3]. Jeśli uwzględnimy ruch wirowy galaktyki, za 25 tysięcy lat gromada M13 będzie znajdować się w innym miejscu na nieboskłonie, daleko poza obrębem posłanej wiązki. Nie zmienia to faktu, że transmisja z 1974 roku pozostaje jedyną jak dotąd intencjonalną próbą nawiązania kontaktu i jako taka w naturalny sposób trwale zapisała się w pamięci.

Wszystkie plagi Arecibo

Wydawałoby się, że tak zasłużone obserwatorium, ikona całej dziedziny nauki, powinien stanowić oczko w głowie każdej administracji. Jednak rzeczywistość okazała się dla Arecibo równie przygniatająca, co grawitacyjny uścisk pulsara. W XXI wieku kolejne organizacje zmniejszały lub nawet całkowicie wycofywały swoje wsparcie dla placówki. A jeśli zaniedbasz konserwację tak misternej konstrukcji wystawionej na regularne kaprysy tropikalnej pogody – katastrofa staje się nieunikniona.

Radioteleskop szarpany dziesiątkami wstrząsów, pożarów, burz i huraganów, poddał się po 57 latach pracy. Latem tego roku odczepiła się jedna z masywnych lin, rozcinając przy okazji fragment talerza. Inżynierowie robili co mogli, ale w listopadzie doszło do kolejnych pęknięć i zawalenie budowli stało się tylko kwestią czasu. Zarządzająca kompleksem Narodowa Fundacja Naukowa była zmuszona do wydania decyzji o formalnym zamknięciu obserwatorium.

Wreszcie, na początku grudnia kilkusettonowa platforma uległa sile grawitacji, spadając na zwierciadło. Radioteleskop Arecibo zakończył działanie we właściwym sobie stylu: efektownie i z rozmachem.

Literatura uzupełniająca:
F. Drake, D. Sobel, Czy jest tam kto? Nauka w poszukiwaniu cywilizacji pozaziemskich, przeł. E. Bielicz, Warszawa 1996;
C. Sagan, Kosmos, przeł. M. Duch, Warszawa 2013;
S. Dick, Życie w innych światach. Dwudziestowieczna debata nad życiem pozaziemskim, przeł. D. Czyżewska, Warszawa 2004;
G. Pettengill, R. Dyce, A Radar Determination of the Rotation of the Planet Mercury, “Nature”, vol. 206, czerwiec 1965;
J. Mathews, A short history of geophysical radar at Arecibo Observatory, “History of Geo- and Space Sciences”, 4(1):19-33, marzec 2013;
J. Christiansen, The Pulsar Chart That Became a Pop Icon Turns 50: Joy Division’s Unknown Pleasures, [online: www.scientificamerican.com/article/the-pulsar-chart-that-became-a-pop-icon-turns-50-joy-division-rsquo-s-unknown-pleasures/];
NSF begins planning for decommissioning of Arecibo Observatory’s 305-meter telescope due to safety concerns, [online: www.nsf.gov/news/news_summ.jsp?cntn_id=301674].
[+]
Ile czego jest we wszechświecie? 7 faktów, które boimy się zaakceptować cz.1 Mrówcza teoria wszystkiego