Idea budowy teleskopu LOFAR zrodziła się we wczesnych latach 90., kiedy to stało się jasne, że dzięki systemom informatycznym możliwe będzie bezproblemowe sterowanie i przetwarzanie informacji poszczególnych grup elementów tego instrumentu złożonego dziś z dziesiątków tysięcy detektorów. Stało się też oczywiste, że same systemy detekcji fal radiowych są także już odpowiednio zaawansowane. Na początku 2024 roku oficjalnie powołano konsorcjum LOFAR ERIC, działające na rzecz europejskiej infrastruktury badawczej Sieć Radiowa Niskiej Częstotliwości.
Teleskopów fazowych, złożonych z szeregu nieruchomych anten, w których obserwowany kierunek na niebie związany jest z takim sumowaniem sygnałów z poszczególnych elementów, by uwzględnić zapóźnienia w dotarciu czoła fali elektromagnetycznej do tych detektorów (najczęściej anten dipolowych), używano już w początkach radioastronomii. Było to jednak możliwe w przypadku niewielkiej liczby elementów za pomocą analogowych systemów dostrajania. Takimi radioteleskopami odkryto dla przykładu pierwszego pulsara w 1967 roku. Jednakże systemy te nie były zbyt czułe i dlatego w latach 70. ubiegłego stulecia i później skupiono się na konstrukcji wielkich radioteleskopów paraboidalnych, w których energia promieniowania radiowego źródła skupiana jest przez system zwierciadeł na jednej antenie, w której powstaje przetwarzany później sygnał elektryczny.
LOFAR aktualnie jest układem 52 stacji, czyli teleskopów fazowych działających w 2 przedziałach częstotliwości (10–90 MHz oraz 110–240 MHz), które tworzą układ interferencyjny. W takim rozległym instrumencie odległość poszczególnych stacji wpływa na zdolność rozdzielczą. Każda stacja (trzy znajdują się na terenie Polski) tego europejskiego interferometru to kilka tysięcy (w przypadku stacji w Bałdach koło Olsztyna dokładnie 3 264) detektorów sterowanych w pełni przez cyfrowe systemy. Ostateczny sygnał w postaci binarnej trafia poprzez Internet do lokalnych serwerów albo do serwerów korelujących obecnie z tempem 10 Gbit/s, a w niedalekiej przyszłości nawet 100 Gbit/s. Każda ze stacji to znakomity radioteleskop, ale dopiero razem połączone elementy dają potężne narzędzie badań kosmosu.
Prowadząc obserwacje astronomiczne wraz z rozwojem technik obserwacyjnych oraz odkrywaniem nowych elementów widma elektromagnetycznego, zdano sobie sprawę, że fale elektromagnetyczne nie w pełnym zakresie swego spektrum docierają do powierzchni Ziemi. Zniekształcane są albo wręcz pochłaniane przez warstwy atmosfery. Na powierzchni Ziemi dysponujemy dwoma „oknami” na wszechświat – w zakresie widzialnym oraz radiowym.
Chociaż docierające z Kosmosu do Ziemi fale radiowe odkrył już w latach 30. ubiegłego wieku Karl Jansky, to badania zaczęły się na dobre w latach 50. Wtedy już zdawano sobie sprawę, że naokoło naszej planety obecna jest warstwa z dużą gęstością ładunków elektrycznych, zwana jonosferą, która zniekształca fale radiowe tym bardziej, im większa jest długość fali (mniejsza częstotliwość). Zablokowało to badania radioastronomiczne na wiele lat, jednak koniec wieku XX i początek XXI to wielki rozwój naszej wiedzy na temat stanu jonosfery oraz pogody kosmicznej, która na jonosferę ma wpływ. Stopniowo nauczyliśmy się usuwać zniekształcenia jonosferyczne z danych obserwacyjnych, co automatycznie pozwoliło sięgnąć ku wcześniej nieeksplorowanym obszarom widma fal radiowych. A te właśnie są zakresem, w jakim obserwuje LOFAR (10–240 MHz). Z racji tego, że czułość LOFAR-a jest wysoka, a elementy rozlokowane w całej Europie pozwalają na uzyskanie wysokiej rozdzielczości, mamy możliwość odkrywania Wszechświata radiowego niemalże od nowa. LOFAR nie dokłada tylko cegiełek w gmachu naszej wiedzy, ale wynikami naukowymi buduje w nim nowe komnaty.
Radioteleskop LOFAR to przede wszystkim narzędzie stworzone dla potrzeb badania Wszechświata. W zakresie pracy tego instrumentu są wirujące gwiazdy neutronowe, pulsary, radiogalaktyki i odległe kwazary, które w obserwacjach z LOFAR-a ukazują rozległe, wcześnie niewidziane struktury.
LOFAR z racji bardzo dużego pola widzenia to też bardzo wydajne obserwacje zjawisk ulotnych, jak np. szybkie błyski radiowe. Badania Słońca to wielki zakres prac i możliwości tego instrumentu, a to z kolei wiąże się z pogodą kosmiczną i obserwacją zniekształceń obrazu w jonosferze, co pozwala na badanie tej wspomnianej już warstwy atmosfery w szczególny sposób. W nowej, poprawionej odsłonie, tzw. LOFAR2.0, zwiększenie czułości jest tak znaczne, że pozwala na oglądanie radioźródeł dostępnych tylko największym paraboloidom, w tym czerwonych karłów, wokół których często znajdują się planety.
Poza tym obszarami LOFAR to też możliwość rejestracji radiowych ech promieniowania kosmicznego w atmosferze oraz fal radiowych generowanych w trakcie wyładowań atmosferycznych, co zaowocowało nawet publikacją w prestiżowym periodyku „Nature”. I warto dodać na koniec jeszcze jedną dyscyplinę, w której LOFAR daje duże możliwości – to informatyka. Obserwacje LOFAR-a to wielkie ilości danych, których sam zapis i korelacja wymagają użycia zaawansowanego sprzętu i metod informatycznych. Późniejsza zaś obróbka to też skomplikowane oprogramowanie. W każdym aspekcie jest ono rozwijane i unowocześniane.
dr hab. Andrzej Krankowski
Przewodniczący konsorcjum POLFAR, Centrum Diagnostyki Radiowej Środowiska Kosmicznego, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie.
