Radioteleskop Arecibo

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].
[+]
Total
213
Shares
Inne teksty