Í hjarta spíralþokunnar NGC 1097 er svarthol. Samkvæmt afstæðiskenningu Einsteins stendur tíminn í stað á jaðri þess, og það á GMT að rannsaka.

Vilji maður upplifa þessa fögru framtíð þegar í dag, þarf maður að keyra til Paranal – fjalls í chilensku eyðimörkinni þar sem undarlegt sjónarspil fer fram: Risavaxin hvít skjaldbaka meðal fjögurra ennþá stærri félaga sniglast af stað yfir hæðarnar í skraufaþurru landslaginu. Þegar hún er komin á leiðarenda stöðvast hún og skýtur skildinum út, og mikil næturvinna er nú framundan hjá stjörnufræðingunum.

Skjaldbökurnar eru eign Europian Southern Observatory og nefnast Very Large Telescope. VLT er að líkindum fullkomnasti sjónauki stjörnufræðinga. Stofninn í honum eru fjórir risakúplar sem hver og einn inniheldur heimsins stærstu spegla með 8,1 m þvermál. Auk þess er hinn fyrsti af fjórum minni sjálfvirkum sjónaukum, svonefndum Auxilary Telescopes, nú kominn í gagnið. Þetta tæki vegur heil 33 tonn og er búið öllum þeim tólum sem til þarf til starfa fjarri mannabyggðum.

Á leiðinni til fjallsins eru með í för bæði loftræstingar – og kælikerfi, sem sér um að halda hitastigi speglanna stöðugu. Vökvadælur opna og loka hólfum, og gegnum flókið kerfi neðanjarðaspegla er ljósið sent áfram til rannsóknarstofu. Þar stunda eðlisfræðingar nýja gerð af stjarnfræðilegum göldrum: þeir geta nefnilega sameinað ljósið frá mörgum aðskildum sjónaukum í einn ofursjónauka, sem er með allt að 200 m þvermál.

Þessi tækni er nefnd interferometria (hliðrunarfræði) og gerir VLT algjörlega einstakan. Ljósbylgjur frá sjónaukanum á fjallinu eru fluttar saman og látnar hliðrast þannig að ljós plús ljós verður myrkur á svæðum þar sem bylgjurnar eru úr takti, en styrkja hver aðra þar sem þær eru í takti. Þetta er ekki mjög upplýsandi, en þessi gerð af samvinnu verður til að ljósið hagar sér eins og það hafi komið frá einum feiknarlegum ofursjónauka með þvermál sem svarar til fjarlægðarinnar milli einstakra sjónauka hans.

Sér fimmtíu sinnum betur en Hubble

Þegar þessi sameinaði sjónauki er fullbyggður mun hann geta horft út í geiminn með upplausn sem er allt að fimmtíu sinnum betri en hjá geimsjónaukanum Hubble. Þar sem Hubble umbylti stjörnufræðinni undir lok síðustu aldar og er oft sagður vera eitt mikilvægasta vísindatæki sögunnar, binda stjörnufræðingar miklar vonir við þær uppgötvanir sem vænta má frá VLT.

ESO er ekki ein stofnana um að gera tilraunir með að sameina stóra sjónauka í miklu stærri ofursjónauka. Meginhluti af öllum fyrirhuguðum nýjum sjónaukum í geimnum sem og á jörðu munu á einn eða annan máta nýta sér interferometríu – og ekki af ástæðulausu. Vilji stjörnufræðingar finna líf á öðrum plánetum, afhjúpa leyndardómanna bak við hulduefnið sem 94% alheims samanstendur af, og skrifa sögu alheims frá fyrsta augnabliki í Miklahvelli fram til dagsins í dag, þarf til gjörbreytingu í hönnun sjónauka.

Því þurfa hönnuðir að brjóta gamla kennisetningu, sem segir að hver aukametri í þvermáli hans kosti eins árs vinnu í hönnun og byggingu. Væri þessi kennisetning rétt myndu líða um allt að tvær aldir áður en hægt væri að takast á við þessar stóru spurningar stjörnufræðinnar.

Keppst um betri búnað

Þegar Galileo beindi sjónauka sínum árið 1610 til himna, sá hann alheim sem var tíu sinnum stærri en augað greindi því linsur kíkisins voru um tíu sinnum stærri en linsa augans. Þar með hóf hann kapphlaup um hver ætti stærsta sjónaukann, kapphlaup sem varað hefur í fjórar aldir. En á sjöunda áratug síðustu aldar urðu nokkrar hindranir í veginum. Massi sjónaukanna stefndi í að verða hundruðir tonna og þeir gátu ekki stækkað miklu meir án þess að aflagast undan eigin þunga.

Ein lausn á þessu er að byggja sjónauka úr mörgum léttari þunnum speglum. Slíkur sjónauki getur einungis náð fullri virkni ef hver einstakur spegill er styttur með milljónustu hluta nákvæmni úr millimetra miðað við alla aðra spegla sjónaukans. Þetta samsvarar um einum 25.000 hluta af þvermáli mannshárs. Þar sem öll byggingin hnikast stöðugt til í vindi, þarf sífellt að stilla speglana með vitrænum búnaði. Margir sérfræðingar hafa talið ógjörlegt að framkvæma þetta.

Í byrjun níunda áratugs síðustu aldar var sýnt með Keck – tvíburasjónaukunum á Hawaii að þetta er hægt. Með tíu metra þvermál sitt er Keck heimsins stærsti samsetti spegill, sem samanstendur af 36 minni speglum er haldast stöðugir í stífri málmgrind. Einstakir hlutar hans eru búnir nemum og rafrænu stýrikerfi, sem aðlagar hvern og einn mörgum sinnum á sekúndu með tilliti til annarra.

Keck er einnig brautryðjandi á öðrum sviðum þar sem arkitektar hans hafa leyst vandamál sem er nánast jafngamalt stjörnufræði – truflunum í lofthjúp jarðar. Að rannsaka stjörnur frá jörðu er líkt því að standa á brún sundlaugar og lesa á blað sem liggur á botninum. Truflanir í lofthjúpnum skekkja myndina og stærri sjónaukar bæta í sjálfri sér í engu þar um.

Þegar ljós frá himintunglunum nær til lofthjúps jarðar liggja bylgjurnar eins og snyrtilegir fletir með innbyrðis fjarlægð sem svarar til bylgjulengdar ljóssins. Truflanir í lofthjúpnum brjóta hinsvegar fletina í brot með um tíu cm þvermál, sem skella í hundraða tali á sjónaukanum með örstuttu millibili. Þessum brotum þurfa stjörnufræðingar að safna saman í snyrtilega fleti á ný. Þar sem lofthjúpurinn er á stöðugri hreyfingu, og ljósið fer með um 300.000 km hraða á sekúndu er þetta sannarlega verðug áskorun.

Aðstoð frá stjörnustríðsáætluninni

En þótt ótrúlegt megi virðast er þetta framkvæmanlegt. Vegna framfara innan svonefndrar „aðlagandi ljósfræði” getur Keck og aðrir sjónaukar jafnað truflanir í lofthjúpnum með því að aðlaga aflagaðan spegil í hjarta sjónaukans 670 sinnum á sekúndu. Til að geta þetta þarf tölva sífellt að þekkja hreyfingar lofthjúpsins í marga kílómetra hæð. Í fyrstu var bjögunin mæld með því að vakta himintungl sem lágu nærri þeim fyrirbærum sem voru til athugunar. En aðferðin reyndist ekki besta lausnin – slíkar leiðarstjörnur eru ekki alltaf til staðar.

Í ljós kom að hin misheppnaða StarWars – áætlun Reagans hafði þróað lausn á þessu vandamáli. Fræðimenn frá MIT og US Air Force leituðust þá við að hanna leysifallbyssur sem gátu fókuserað á mark utan lofthjúpsins. Lofthjúpurinn reyndist dreifa leysigeislunum of mikið og því var þróuð aðlagandi ljósfræði. Þeir settu hreyfanlegar linsur fyrir framan leysigeislann sem bjagaði geislann áður en hann yfirgaf byssuna. Lofthjúpurinn var síðan látinn um að fókusera geislanum svo að hann gæti hitt í mark af fullum krafti. Kerfið virkar aðeins þegar hreyfingar lofthjúpsins eru þekktar, en auk þess fundu vísindamenn hjá hernum upp eins lags gervistjörnur. Með því að láta leysigeislun rigna á natríumgas sem liggur um 90 km frá jörðu, gátu þeir skapað „stjörnu” hvar sem þeir vildu. Stjarna þessi er eins og viti sem tilkynnir ástand lofthjúpsins stöðugt til jarðar. Með þessari þekkingu getur tölva reiknað hver staða speglanna þarf að vera. Þetta gerist á rauntíma með seinkun sem nemur aðeins tugþúsundasta hluta úr sekúndu.

Þegar stjörnufræðingar fundu aðgang að þessari þróuðu tækni hersins var það upphafið á byltingarkenndum framförum allt fram til dagsins í dag. Með þessari tækni er nú hægt að hanna sjónauka sem voru óhugsandi fyrir nokkrum áratugum. Takmörkin á stærð þeirra eru ekki lengur bundin við tugi metra í þvermáli, heldur fremur nær 130 m. Þar sem sjónaukinn þarf einnig að hvíla á sökkli má jafna stærð hans við Eiffelturninn. Ekki er hægt að byggja stærri sjónauka því þá trufla örsmáar jarðhræringar hann of mikið.

Mörkin fyrir stærð sjónauka eru ekki einungis af fræðilegum toga. Á næstu tuttugu árum mun koma fram fleiri sjónaukar með 25 m þvermál eða meira. Stærsti jarðsjónaukinn á teikniborðinu er án vafa OWL – Overwhelmingly Large Telescope – sem hefur þvermál nærri 100 metrum og getur safnað ljósi á við 100 Keck – sjónauka. ESO er þegar farið að hanna næstu kynslóð slíkra sjónauka, og „Uglan” á að tryggja stórkostlegar framfarir í stjörnufræði, en vonast er til að hún verði tilbúin árið 2021.

Ímyndunaraflið setur mörkin

Kostirnir við samsetta spegla, aðlagandi ljósfræði og interferómetríu eru gríðarlegir, og í framtíðinni er það bara ímyndunaraflið sem setur upplausninni mörk. Þegar hinn bandaríski Magdalena Ridge Observatory Interferometer verður fullbúinn árið 2008, munu hinir tíu „litlu” 1,4 – metrar sjónaukar virka eins og risi með 400 metra þvermál og ná 100 sinnum skarpari myndum en Hubble. MROI er ætlað að rannsaka plánetumyndanir og virkni stjörnuþokukjarna.

Með slíkar athuganir innan seilingar fáum við kannski loksins svar við því hvort við erum alein í heiminum. Plánetufræðimenn munu á komandi árum leita ummerkja lífs um allan geim. Það felur hinsvegar í sér annars konar vandamál. Lofthjúpur jarðar inniheldur allskonar vísbendingar um líf og mun því lita tákn þess inn í ljósið frá geimnum. Besta lausnin er að laumast út fyrir lofthjúpinn með þessa nýju tækni. Því ráðgerir evrópska geimferðastofnunin, ESA, flota fjögurra geimfara sem nefnast Darwin og eiga árið 2014 að fljúga í hnitmiðaðri röð. Þrjú geimfaranna innihalda hvert sinn stóra spegil og hið fjórða sameinar ljósið frá þeim, þannig að saman virka þau eins og risavaxinn geimsjónauki. Reikistjörnur sem líkjast jörðinni munu koma fram sem lítill blár blettur á mynd sjónaukans.

Darwin getur greint efnasamsetningu lofthjúpa á hundruðum útpláneta. Stjörnufræðingar fá þar með fjölskyldualbúm af plánetum, sem dreifast í um 50 ljósára fjarlægð frá jörðu. Þrátt fyrir að þetta sé óendanlega lítill hluti alheims er um verulegar framfarir að ræða, því einungis er hægt að kanna plánetur í fárra ljósklukkustunda fjarlægð frá jörðu.

33 geimsjónaukar í samvinnu

Darwin er þó ekki einn um hituna. Á stjörnuhimni sjónaukanna ber MAXIM hæst allra. NASA reynir nefnilega um að skapa hinn endanlega geimsjónauka, sem samanstendur af 33 sjónaukum er fara í hringlaga formi. MAXIM á að samþætta risavaxið sjónaukaflatarmál með hinni afar litlu bylgjulengd röntgengeislunar til að ná upplausn, sem er milljón sinnum betri en hjá Hubble. Enginn sjónauki getur beinlínis séð svarthol, en MAXIM mun sýna efni á jaðri svarthola, þar sem tíminn stendur kyrr samkvæmt afstæðiskenningu Einsteins. Þar sem bylgjulengd röntgengeislunnar er brotabrot af einum milljónastahluta millimeters, er geislunin frá 33 speglunum send til uppsöfnunartækis í 500 km fjarlægð með viðeigandi nákvæmni. Vísindamennirnir að baki verkefninu viðurkenna að hér er stórbrotið verkefni á ferð, en eru vissir um árangur. Hafi þeir á réttu að standa mun Hubble helst líkjast sjóndapri moldvörpu.

Lestu greinina í heild sinni í 6. tbl. 2006