R A D I O T E L E S K O P H E W E L I U S Z

Radioastronomia toruńska zajmuje znaczące miejsce wśród podobnych placówek europejskich. Ze swoim potencjałem osobowym, nowoczesnym, choć średniej wielkości instrumentem badawczym, infrastrukturą i osiągnięciami w dziedzinie rozwoju i zastosowań nowoczesnych technologii oraz uznanymi w świecie wynikami prac badawczych, jest wiodąca w kraju i znaczącą w całym obszarze Europy środkowo-wschodniej jednostką badawczo-dydaktyczną. Rozwój krajowej radioastronomii datuje się od końca lat 50-tych ale znaczący postęp dokonał się w latach 70-tych oraz w ciągu ostatnich dziesięciu lat. Dlaczego warto rozwijać radioastronomię w Polsce? Otóż z uwagi na warunki klimatyczne inwestowanie w duże teleskopy optyczne w kraju nie ma sensu i tu trzeba łączyć się z partnerami zagranicznymi i uczestniczyć w inwestycjach lokalizowanych np. w Andach Chilijskich czy Południowej Afryce. Jest jednak wielka szansa na rozwój badań radioastronomicznych. Kongres Nauki Polskiej swoją uchwała a następnie Uchwały Rządowe jednoznacznie wsparły rozwój radioastronomii w Polsce jako preferowanej dziedziny astronomii obserwacyjnej. Szansa ta została ona częściowo wykorzystana w latach 70-tych po przez budowę Krajowego Ośrodka Radioastronomii w Piwnicach oraz później przez budowę 15m anteny i w latach 1986-1994 32m anteny. Warto tu przypomnieć, że największe sukcesy polskich uczonych w ostatnich latach takie jak np. prof. A.Wolszczana czy dr M.Konackiego stały się możliwe dzięki inwestycjom w radioastronomię! To dzięki tym inwestycjom było możliwe przyciągnięcie do radioastronomii młodych zdolnych ludzi, nauczenie ich podstaw ważnej dyscypliny naukowej i otwarcie drogi w świat dzięki kontaktom i prowadzonej już wcześniej współpracy. Na 10 „Nobli” z dziedziny fizyki przyznanych astronomom, 6 było rezultatem badań radioastronomicznych. Możliwości tej dyscypliny nie zostały jeszcze w pełni wykorzystane.

W tej chwili najważniejszym instrumentem badawczym Centrum Astronomii jest 32m średnicy radioteleskop, zaprojektowany i całkowicie wykonany w kraju. Jego parametry użytkowe, takie jak dokładność wykonania, uzyskiwane czułości i precyzja pomiarów, sprawiają, że pomimo swoich średnich rozmiarów jest to jeden z najlepszych teleskopów swojej klasy na świecie. Kilka lat po zakończeniu budowy (1994) to intensywne prace całego zespołu Katedry Radioastronomii Centrum Astronomii koncentrujące się głównie na najlepszym wyposażaniu anteny w specjalistyczną aparaturę kontrolno pomiarową oraz uruchamianiu długofalowych programów badawczych. Przy okazji warto tu nadmienić, że znaczną część aparatury pomiarowej i diagnostycznej wykonano w laboratoriach Katedry Radioastronomii CA UMK w ścisłej kooperacji z ośrodkami zagranicznymi. W tym czasie dzięki szeroko rozwiniętej i owocnej współpracy międzynarodowej udało się pozyskać dodatkowe środki europejskie (1/3 wartości 32m anteny) na zakup nowoczesnej aparatury. Współpraca owocowała także dostępem do najnowocześniejszych technologii elektroniki mikrofalowej i informatycznej. Warto tu wspomnieć o realizowanych projektach V i VI PR, których celem jest m.in. wyposażenie 32m anteny toruńskiej w super nowoczesne macierze odbiorcze budowane w oparciu o technologie scalonych układów mikrofalowych (MMIC) rozwijanych jedynie w USA. Innym niezmiernie ważnym osiągnięciem technologicznym było połączenie radioteleskopu 32m w Piwnicach z korelatorem VLBI w Holandii po przez dedykowane linie światłowodowe (PIONIER i GIANT). Dzięki temu ośrodek polski znalazł się w czołówce europejskiej wśród czterech wiodących w tej dziedzinie krajów naszego kontynentu. Inwestycja budowlana 32m radioteleskop dla UMK okazała się nadzwyczaj owocna. Po raz pierwszy w kraju powstał instrument badawczy o parametrach gwarantujących partnerski rozwój współpracy międzynarodowej i spowodował znaczącą poprawę poziomu badań naukowych prowadzonych w kraju.

Naukowe osiągnięcia będące rezultatem prac 32m radioteleskopu CA UMK obejmują kilka dziedzin. w interferometrii wielkobazowej sieci europejskiej EVN uczestniczymy we wszystkich realizowanych projektach sieci przeznaczając na ten cel 30% czasu obserwacyjnego w skali roku. Nasze własne projekty znajdują duże uznanie w środowisku astronomicznym (studia maserów metanolu w obszarach powstawania gwiazd i układów planetarnych, badania aktywności masywnych czarnych dziur w jądrach galaktyk, badania pól magnetycznych w otoczkach gwiazdowych). Niektóre z tych wyników uznane zostały za sztandarowe całej sieci EVN i są bardzo dobrą wizytówką aktywności naukowej polskich zespołów. Znaczna część czasu obserwacyjnego 32m radioteleskopu poświęcona jest lokalnym, polskim pracom. Na szczególne wyróżnienie (uznane nagrodą PAU) zasługuje toruński przegląd Galaktyki źródeł metanolowych. Wciąż jest to najlepszy na świecie przegląd wykonany dla nieba północnego. Nowoodkryte obiekty stanowią przedmiot badań wielu zespołów. Drugim ważnym projektem są obserwacje gwiazd neutronowych znanych jako pulsary. Prowadzone od 1996 roku pod kierunkiem prof. A.Wolszczana dostarczają ważnych wyników dotyczących fizyki samych gwiazd oraz warunków formowania się układów planetarnych. Kolejnym ważnym projektem realizowanym przy pomocy 32m anteny jest przegląd polaryzacyjny Galaktyki, którego zadaniem jest kompleksowe zbadanie pola magnetycznego i jego roli w procesach astrofizycznych. Projekt ten realizujemy we współpracy z OA UJ oraz Instytutem Maxa Plancka w Bonn. Ostatnim wymienionym tu będzie projekt OCRA, który realizowany jest wspólnie z ośrodkami angielskimi i ma na celu zbadanie najmłodszych - najwcześniej powstałych obiektów Wszechświata. Projekt ten możliwy jest do wykonania dzięki rozwinięciu matryc odbiorczych - radiowych kamer CCD.

32m radioteleskop jest bardzo dobrym, choć jednak średnich rozmiarów instrumentem badawczym, zapewniającym utrzymanie polskiego ośrodka na odnotowanym przez świat nauki poziomie przez następne 5-10 lat. Zdajemy sobie jednak sprawę z faktu iż w tym czasie cały świat nauki pójdzie znacząco naprzód inwestując w nowoczesne instrumenty badawcze i nowoczesne technologie a przy okazji zadba o rozwój własnego przemysłu. Dla utrzymania znaczenia dowolnego ośrodka naukowego niezbędne są znaczące inwestycje w okresach co 10 - 15 lat. Dotyczy to także naszej sytuacji. Jeśli zaniedbamy swój własny rozwój, to w szybkim czasie pozostaniemy w tyle w stosunku do naszych partnerów zagranicznych. Zamrożenie aktywności inwestycyjnej spowoduje utratę wypracowanej dużym wysiłkiem pozycji. Myśląc o konieczności utrzymania się w czołówce europejskiej radioastronomii, zespół nasz pracuje nad wizją stałego rozwoju, planując także uzasadnione i jakościowo znaczące inwestycje do realizacji w latach 2008-2013.

2. Proponowana inwestycja

Niniejszy propozycja zakłada budowę bardzo dużego, nowoczesnego, dedykowanego instrumentu - radioteleskopu dla realizacji wybranych i już sprawdzonych kierunków badań. Instrument ten, przy niewielkich kosztach eksploatacji oraz pełnej automatyzacji, może zapewnić uprawianie nauki przez wiele lat na poziomie światowym. Projekt, budowa i realizacja zadań inwestycyjnych oparte powinny na potencjale gospodarczym naszego kraju. Zatem zasadnicze środki przepłyną do krajowych firm i służyć będą rozwojowi nowoczesnych technologii i wprowadzeniu innowacyjności w polskim przemyśle. Projekt ten utworzy warunki rozwoju i wzmocnienia naszego przemysłu na konkurencyjnym rynku światowym.

Planowane Europejskie Centrum Radioastronomii ma ogromną szansę stać się wiodącym ośrodkiem badawczym w Europie Środkowej. Znaczną część funduszy zamierzamy pozyskać z UE w ramach środków strukturalnych, wkład własny pochodzić może ze źródeł krajowych (wojewody, MNiSzW, prywatnych sponsorów i firm krajowych), jest też szansa na pozyskanie niezależnych środków zagranicznych.

3. Założenia projektu

Analiza warunków prowadzących do znaczących sukcesów naukowych w radioastronomii osiągniętych w ostatnich latach przez światowe ośrodki (dokonana niedawno wspólnie z kolegami z W.Brytanii) jednoznacznie pokazuje, że zasadniczym czynnikiem jest posiadanie radioteleskopu o dużej powierzchni zbierającej. Szczególnymi przykładami są tu ośrodki w Arecibo (Puerto Rico, USA), Green Bank (USA), MPIfR (Effelsberg, RFN), Jodrell Bank Observatory (Manchester, W.Brytania).

Nowe, aktualnie realizowane projekty międzynarodowe (ALMA, LOFAR, SKA) tworzą dla astronomów polskich szanse naukowego uczestnictwa ale nie dają możliwości indywidualnego „przebicia się” naszych jednostek badawczych do poziomu światowego. Dla radykalnej zmiany sytuacji potrzeba dokonania znaczącej w skali światowej skoncentrowanej na właściwej inwestycji.

Jednym z możliwych i poważnie rozważanych rozwiązań byłaby budowa np. 70-80 m klasycznej anteny parabolicznej. Koszt budowy anteny uniwersalnej o szerokich możliwościach zastosowań jest jednakże bardzo duży. Korzyści z realizacji tej koncepcji polegać mogą głównie na stworzeniu uniwersalnego instrumentu badawczego. Antena taka mogła by być użyta zarówno do celów badawczych radioastronomii jak i telekomunikacji albo łączności z sondami kosmicznymi potrzebnej w realizacji projektów kosmicznych. Koncepcja klasycznej 70m anteny parabolicznej (nazwana RT5) została opracowana przez inż. Zygmunta Bujakowskiego (głównego projektanta 15m i 32m radioteleskopów) już w połowie lat 90-tych i jest bardzo konkretną propozycją wartą rozpatrzenia.

Istnieje też alternatywny projektu budowy instrumentu znacznie większego, za podobną cenę, dedykowanego do specjalnych zadań, jego opis znajduje się poniżej. Przy opracowaniu koncepcji nowego dużego radioteleskopu RT5 wzięto pod uwagę następujące uwarunkowania:

największa możliwa powierzchnia zbierająca (średnica czaszy 100-130m)

minimalizacja kosztów budowy przez wprowadzenie technicznych uproszczeń

nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne - antena offsetowa

ograniczenie ruchu teleskopu

hydrauliczne sterowanie czaszy teleskopu (patrz Rys.1)

duże pole ostrego widzenia - równoczesny pomiar do ok. 100 punktów na niebie

zakresy częstotliwości pracy odpowiadające lokalnym warunkom atmosferycznym

super czułe kriogeniczne szerokopasmowe odbiorniki

wyposażenie w nowoczesne cyfowe back-endy: polarymetr, spektrograf i maszynę pulsarową

główny program badawczy to systematyczny, masowy przegląd radiowych obiektów nieba północnego

Spełnienie w/w uwarunkowań sprawić może, iż proponowany radioteleskop byłby w efekcie kilkukrotnie tańszy od aktualnie budowanych, a jego oryginalna i nowatorska konstrukcja oraz zaproponowany program badawczy, zapewniły by przez wiele lat unikatową światową pozycję ECR z RT5, wśród podobnych ośrodków badawczych na całej półkuli północnej. Proponowany teleskop paraboliczny z anteną offsetową odpowiadałby swoimi osiągami antenie klasycznej konstrukcji o 200m średnicy. Rozważany program badawczy nie może być wykonany przy pomocy istniejących instrumentów na całym obszarze północnej półkuli przez najbliższe 20 lat, a jest on nowoczesną formą radiowej realizacji wyjątkowo produktywnych, masowych przeglądów fotometrycznych dużych obszarów nieba. Proponowane rozwiązania techniczne anteny są zgodne z aktualną tendencją widoczną w konstrukcjach aktualnie budowanych i planowanych wielkich teleskopów optycznych (SALT, HET, OWLE). Te wymienione tu teleskopy posiadają montaż w układzie horyzontalnym, ustawiane są dla jednego azymutu /wysokości i nieruchome podczas obserwacji. Parametry techniczne nowego radioteleskopu (ECR-RT5) przedstawiono w tablece poniżej.

Wraz z budową anteny niezbędne byłoby uzupełnienie infrastruktury budowlanej Centrum. Dodatkowo dobudowana kubatura pozwoliła by poprawić sytuację lokalową w Piwnicach oraz mogła by zapewnić przyjmowanie gości zagranicznych a również, co jest także ważne, ułatwić obsługę turystyczną licznych wycieczek (obecnie to ponad 20 tys osób rocznie). Inwestycja budowlana (część kubaturowa) powinna być integralnym składnikiem całego projektu. Jej szacunkowy koszt wynosić może ok. 5 mln zł.

4. Lokalizacja

Posiadany prze UMK teren w Piwnicach wokół istniejącego Centrum Astronomii UMK jest bardzo dobrym miejscem lokalizacji przyszłego instrumentu. Jednmnakże w związku z wzrastającym poziomem zakłóceń radiowych wywołanych powstaniem ekonomicznmej strefy rozwoju w Łysomicach odległych o 5 km od Centrum, wydaje się konieczne wyszukanie nowej lokalizacji dla przyszłego ogromnego radioteleskopu. W grę wchodzą tu miejsca oddalone od dużych ośrodków miejskich i szlaków komunikacyjnych. Rozważane są rejony Borów Tucholskich (ok. 100 km N-W od Torunia, w pobliżu miejscowości Dębowiec - patrz mapa) lub tereny w kierunku Olsztyna. Lokalizacja poza Piwnicami powiększa koszty o budowę minimum zaplecza kubaturowego, doprowadzenie mediów oraz doprowadzenie drogi dojazdowej. Ta sprawa wymaga dalszych dyskusji i negocjacji. Wydaje się, że nie powinna stanowić problemu. Radioteleskop jest urządzeniem pasywnym, służy wyłącznie do odbioru sygnałów radiowych i nie promieniuje elektromagnetycznie co jest ważnym argumentem przy negocjacjach z władzami terenowymi.