Centrum Astronomii
Uniwersytet Mikołaja Kopernika

Radioastronomia na UMK w latach 1981 - 2000

Radioastronomia na UMK związana jest z Katedrą Radioastronomii. Poza działalnością dydaktyczną prowadzi się tutaj prace badawcze i instrumentalne, w których dominuje współpraca międzynarodowa. Od 1981 r. Katedra należy do światowej sieci obserwatoriów uczestniczących w syntezie globalnego radioteleskopu, tzw. VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Z nowym 32 m radioteleskopem i nowoczesną, wysokiej klasy aparaturą pomiarową jest unikalnym ośrodkiem badawczym. Od niedawna jest także członkiem Europejskiej Sieci Pulsarowej, uczestnicząc w międzynarodowym projekcie znanym jako EuroToP.

Największym przedsięwzięciem Katedry w całym dwudziestoleciu było niewątpliwie podjęcie się w 1983 r. budowy 32-metrowego teleskopu, a potem wyposażenie go w aparaturę i włączenie do regularnych obserwacji. Dla potrzeb anteny rozwijano techniki pomiarowe oraz projektowano i budowano specjalistyczną aparaturę kontrolno-pomiarową (niskoszumowe odbiorniki, spektrografy, przemienniki częstotliwości, elektronikę cyfrową, systemy sterowania). Badania naukowe prowadzone w tej placówce koncentrowały się na obserwacjach i teoretycznym modelowaniu procesów fizycznych zachodzących w jądrach aktywnych galaktyk i kwazarów, na pomiarach czasowych charakterystyk pulsarów (chronometraż), na poszukiwaniu nowych układów planetarnych oraz na badaniu ciał Układu Słonecznego.

Od 1998 roku Katedra pełni dodatkowo rolę Krajowego Ośrodka Radioastronomii (KOR). Głównym celem KOR jest zaspokajanie potrzeb obserwacyjnych polskich astronomów w dziedzinie radioastronomii oraz rozwijanie współpracy międzynarodowej.

Przynależność organizacyjna i kadra

Katedra Radioastronomii jako samodzielna placówka wydziałowa powstała na bazie Zakładu Radioastronomii Instytutu Astronomii w 1980 roku. Niezależny status Katedry przetrwał do roku 1996. Z dniem 2 stycznia 1997 r. powołano Centrum Astronomii UMK jednoczące w sobie uniwersyteckie jednostki organizacyjne astronomii z formalnym podziałem na Katedrę Astronomii i Astrofizyki (dotychczasowy Instytut Astronomii) oraz Katedrę Radioastronomii. W okresie 2.01.1997 - 31.12.2000 dyrektorem Centrum był prof. Aleksander Wolszczan. Kierownictwo Katedry Radioastronomii do roku 1992 sprawował prof. nadzw. dr hab. Stanisław Gorgolewski. Później, po przejściu prof. Gorgolewskiego na emeryturę, stanowisko to objął prof. dr hab. Andrzej Kus.

W 1981 r. kadrę pracowników naukowo-dydaktycznych bądź naukowo-badawczych, obok kierownika, stanowili adiunkci: dr Andrzej Kus (habilitacja w 1989 r.), dr Aleksander Wolszczan (habilitacja w 1995 r. na UW), dr Kazimierz Borkowski i dr inż. Jerzy Usowicz. Ponadto od r. 1992 adiunktem został dr Marian Szymczak (doktorat 1990 r.). Asystentami byli wówczas: mgr Andrzej Marecki (doktorat 1992 r.), mgr Leszek Nowakowski (doktorat 1982 r.) i mgr Eugeniusz Pazderski. W latach 80-tych z wyjazdów za granicę nie powrócili: dr Leszek Nowakowski (w 1983 r.) i dr Aleksander Wolszczan (1982 r.). Pracownicy inżynieryjno-techniczni zatrudnieni w całym omawianym okresie to: mgr Grażyna Gawrońska, mgr Andrzej Kępa (nie pracował w latach 1989 - 1992) i mgr inż. Janusz Mazurek.

W końcu 2000 r. stan osobowy Katedry przedstawiał się następująco:

Pracownicy naukowo-dydaktyczni

  • prof. dr hab. Stanisław Gorgolewski (od 1.10.1997 r. na emeryturze)
  • dr hab. Andrzej Kus, profesor UMK
  • prof. dr hab. Aleksander Wolszczan, profesor UMK
  • dr Andrzej Marecki, adiunkt
  • dr Marian Szymczak, adiunkt

Pracownicy naukowo-techniczni

  • dr Kazimierz Borkowski (od 1.10.1996 r.), friend of VLBI
  • dr inż. Jerzy Usowicz (od 1.10.1998 r.), członek CRAF-u, pełnomocnik rektora UMK d/s strefy ochronnej RT-4
  • dr Bernard Krygier, pełnomocnik rektora UMK d/s budowy RT-4, emerytura od 1.01.1999 r.

Pracownicy inżynieryjno-techniczni

  • mgr Grażyna Gawrońska
  • mgr Marek Gleba (od 1.04.1996 r.)
  • mgr Grzegorz Hrynek (od 1.11.1998 r.)
  • mgr Andrzej Kępa
  • mgr inż. Krzysztof Ligór (od 15.07.2000 r.)
  • mgr inż. Janusz Mazurek
  • mgr Eugeniusz Pazderski (od 1.10.1992 r.)
  • mgr Wojciech Szymański (od 12.01.1994 r.)

Doktoranci

  • mgr Leszek Błaszkiewicz
  • mgr Bartosz Dąbrowski
  • mgr Grażyna Feiler
  • mgr Marcin Gawroński
  • mgr Krzysztof Katarzyński
  • mgr Wojciech Lewandowski
  • mgr Jacek Niezgoda
  • mgr Małgorzata Pruszyńska
  • mgr Radomił Zajączkowski

Instrumentalne wyposażenie Katedry

Podstawowymi instrumentami badawczymi Katedry Radioastronomii są: oddany do eksploatacji w 1978 roku radioteleskop o średnicy 15 m i uruchomiony w 1994 roku radioteleskop o średnicy 32 m, który jest jednym z najnowocześniejszych urządzeń badawczych polskiej nauki. Jest on intensywnie wykorzystywany do badań techniką VLBI, do obserwacji pulsarów, do obserwacji spektralnych i do obserwacji w continuum widma radiowego (czyli promieniowania zintegrowanego) w zakresach długości fal 18-20, 6 i 5 cm. Ponadto w latach 1981 - 2000 w Katedrze kontynuowano rozpoczęte w 1958 r. regularne obserwacje Słońca na fali 2,36 m (127 MHz) za pomocą niewielkiego dwuantenowego interferometru zbudowanego jeszcze w 1972 r.

RT 15

Radioteleskop o średnicy czaszy 15 m został wyposażony w zbudowany w Katedrze Radioastronomii terminal VLBI Mark IIc (pierwsze tego rodzaju urządzenie skonstruowane poza USA), specjalną aparaturę odbiorczą na wiele pasm (w zakresie 400 - 5000 MHz) oraz atomowy (rubidowy) wzorzec częstości. Dzięki temu obserwatorium toruńskie mogło włączyć się do regularnych obserwacji w europejskiej i światowej sieci interferometrii wielkobazowej (VLBI). Pierwsze udane obserwacje VLBI wykonano w końcu maja 1981 r.

Do czasu zbudowania większej anteny radioteleskop 15-metrowy był wykorzystywany głównie do celów VLBI, ale prowadzono nim również inne obserwacje, m.in. monitorowanie pulsarów, obserwacje obszarów HI (neutralnego wodoru) oraz odbiór sygnałów telemetrii satelitarnej (te ostatnie tylko w okresie grudzień 1996 r. - maj 1998 r.). Od 1994 r. w ogóle nie był używany do regularnych obserwacji typu VLBI, z wyjątkiem pewnych badań we współpracy z Rosjanami i z wykorzystaniem starego terminala VLBI Mark II. Od lutego 2000 r. jest używany do systematycznych obserwacji Słońca na mikrofalach.

Budowa 32-metrowego radioteleskopu

Praktyczne działania zmierzające do zbudowania większej anteny podjęto w 1983 r., kiedy to w konsultacjach z mgr inż. Zbigniewem Bujakowskim (głównym projektantem) wypracowano podstawowe koncepcje konstrukcyjne radioteleskopu i założenia do projektu wstępnego. Trudności finansowe sprawiły, że projekt wstępny udało się zakończyć dopiero po dwóch następnych latach. W 1986 r. Centrum Eksportowe ,,Simpex" w Katowicach otrzymało zlecenie na wykonanie projektu techniczno-roboczego radioteleskopu. Umowa przewidywała także opracowanie części budowlanej obejmującej fundament centralny, fundament pod urządzenie do obsługi lustra Cassegraina i palowanie pod fundament centralny radioteleskopu. Realizacja tego etapu przebiegała planowo i została zakończona w czerwcu 1988 roku. Od tego momentu z zaczęła się gehenna poszukiwania wykonawców zadań budowlanych oraz poszczególnych elementów radioteleskopu, gdyż nie udało się znaleźć głównego wykonawcy. Większość podzespołów podjęła się wykonać huta ,,Zabrze". Pozostałe elementy, takie jak wieniec zębaty, łożysko wielkogabarytowe, lustro Cassegraina i in., trzeba było realizować kolejno w wielu zakładach. W latach 1989-1990 przygotowano plac budowy: doprowadzenie linii zasilającej, oświetlenie, budowa drogi dojazdowej i ogrodzenia, doprowadzenie wody i wzmocnienie gruntu palami (instalację ostatniego ze stu 11-13-metrowych pali ukończono w styczniu 1990 r.). Po przeprowadzeniu testów na wytrzymałość pali na rwanie i obciążenie przystąpiono do wykonania żelbetowych fundamentów: centralnego i jezdni. Teraz nastąpiła półroczna przerwa konieczna na stwardnienie betonu. Na czas scalania konstrukcji radioteleskopu plac budowy przejął gdański ,,Mostostal" rozpoczynając ten etap 12.09.1991 od montażu jezdni. W połowie lipca 1993 roku mogła odbyć się już pierwsza próba ruchu w azymucie konstrukcji wsporczej z nałożonym na nią zespołem osi elewacji (wówczas jeszcze bez czaszy), a nieco ponad rok później ,,Mostostal" zgłosił zakończenie prac montażowych. Oficjalne przejęcie radioteleskopu do eksploatacji nastąpiło 20 października 1994 r.
Od tego czasu 32 m radioteleskop jest podstawowym instrumentem badawczym Katedry.

System napędu i sterowania

Obsługa systemu napędowego jest zautomatyzowana i odbywa się za pomocą komputerów pracujących w systemie sterowania. Rolę komputera nadrzędnego pełni przemysłowy PC 486 umieszczony w kabinie elektrycznej radioteleskopu. Z innymi komputerami łączy go sieć światłowodowa. Światłowody służą również do przesyłania odbieranych sygnałów obserwowanych radioźródeł. Operator wydaje polecenia sterujące z konsoli komputera znajdującego się w sterowni odległej od radioteleskopu o około 250 m. W sterowni rolę serwera pełni komputer HP745i pracujący pod systemem operacyjnym Unix. Oprogramowanie komputera nadrzędnego zostało wykonane w Katedrze (głównym programistą był mgr E. Pazderski).

Systemy odbiorcze

Zadaniem systemu odbiorczego jest pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego docierającego z kosmosu do ogniska radioteleskopu. Systemy odbiorcze składają się z dwóch części, które mieszczą się w kabinie ogniska wtórnego (tzw. front end) i w sterowni radioteleskopu (back end). W pierwszej grupie są, według stanu na koniec 2000 r., 3 systemy na pasma L, C1 i C2. Pierwszy z nich obejmuje częstotliwości od 1400 do 1800 MHz (obserwacje linii OH, 18 cm, i wodoru, 21~cm), drugi pasmo C1 – od 4350 do 5350 MHz (6 cm) a trzeci C2 - od 5900 do 6900 MHz (5 cm). Cała aparatura odbiorcza (oświetlacze, falowody odbiorniki i inne urządzenia elektroniczne) została zaprojektowana i zbudowana w pracowni mikrofalowej Katedry Radioastronomii z materiałów i podzespołów produkowanych przez przodujące światowe firmy. Niektóre rozwiązania w systemach odbiorczych są nowatorskim dziełem pracowników Katedry. Dzięki temu schłodzone do temperatury 15 K pozwalają uzyskiwać czułości całego systemu odpowiadające szumowej temperaturze 30 K (jest to bardzo dobry wynik). Przetworzone i wzmocnione sygnały z odbiorników przesyłane są do odpowiednich systemów rejestrujących znajdujących się w sterowni. Wspomniane wyżej chłodzenie zapewniają helowe kompresory typu CTI-1020R i CTI-80200 i chłodziarki typu CTI-350CP firmy Helix Technology Corporation (USA).

Urządzenia rejestrujące

Terminal VLBI i wzorzec częstotliwości Obserwacje wykonywane interferometrem składającym się z radioteleskopów europejskiej lub globalnej sieci VLBI są zapisywane na specjalistycznych taśmach magnetycznych o szerokości 1 cala i długości 8 000 lub 16 000 stóp. Zapisu na taśmach dokonuje urządzenie zwane terminalem VLBI, które składa się z zespołu konwerterów (przemiana sygnału do pasma wideo), formatera i rejestratora. Środki na zakup nowego terminala typu VLBA (o parametrach Mark III) pochodziły z grantu Unii Europejskiej. Obserwacje VLBI wymagają stabilnych sygnałów oscylatorów lokalnych i dobrej służby czasu, dlatego koniecznością był zakup (za sumę 350 000 franków szwajcarskich) wodorowego wzorca częstotliwości EFOS-15, którego stabilność sięga 1E-14. Podobnemu celowi (synchronizacja czasu) służy też odbiornik sygnałów satelitów nawigacyjnych GPS, ,,Model 8812 GPS Station Clock" firmy TRAK Systems (USA). Od 2000 r. ten wysłużony (po awarii nie osiąga nominalnych parametrów) odbiornik wspiera drugi, ,,CNS Clock” firmy CNS Systems, Inc., który współpracuje z licznikiem HP 53131.

Maszyna pulsarowa

To urządzenie służy do pewnej wstępnej obróbki sygnału pulsarów i ich rejestracji. Maszynę pulsarowa PSPM II zbudował zespół prof. A. Wolszczana na Pennsylvania State University (z grantów KBN). Jej obsługę i rejestrację zbieranych danych zapewnia komputer SUN Ultra 1. Maszyna ta pracuje w Katedrze od czerwca 1996 roku.

Spektrograf cyfrowy

Spektrograf jest wykorzystywany do pomiaru linii emisyjnych. Został on zaprojektowany i zbudowany w Katedrze przez grupę mgr A. Kępy w oparciu o specjalne układy scalone CMOS wielkiej skali integracji zakupione w Narodowym Obserwatorium Radioastronomicznym (NRAO, USA) i wdrożony do eksploatacji w styczniu 1999 roku. Posiada 16384 kanały obejmujące łączne pasmo około 200 MHz. Za jego pomocą można próbkować sygnał w każdym z czterech bloków z szybkością ok. 100 mln próbek na sekundę. Otrzymywane stąd cztery funkcje autokorelacji są na bieżąco przekształcane we współpracującym komputerze na widma mocy obserwowanej linii.

Sprzęt komputerowy

Na początku omawianej dekady Katedra dysponowała radzieckim klonem komputera PDP-11, maszyną M400. We wrześniu 1986 r. zastąpił go podobnej klasy komputer SM1420. Niestety, nie spełniały one oczekiwań użytkowników i dopiero w 1990 r. pojawiła się możliwość importu używanego komputera z prawdziwego zdarzenia - była to maszyna typu Convex C-120. Taki sprzęt używały wówczas inne ośrodki radioastronomiczne (np. NRAO i Onsala Space Observatory w Szwecji). Z komputera tego korzystaliśmy przez ok. 5 lat. W 1995 r., wzorem innych ośrodków, Katedra przeszła na uniwersalne, a jednocześnie obliczeniowo wydajniejsze, stacje robocze firmy Sun Microsystems. Obecnie w Katedrze pracuje dziewięć stacji Sun w tym 5 to komputery z serii Sun Ultra. Są to główne serwery lokalnej sieci. Oprócz Sun-ów w sieci tej jest kilkadziesiąt komputerów klasy PC wypełniających rozmaite zadania. Znakomita większość z nich pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego Linux.

Działalność naukowa

Badania prowadzone w Katedrze Radioastronomii skupiają się wokół następujących tematów:

  • Zwarte kwazary o stromych widmach na falach centymetrowych
  • Źródła emisji maserowej rodnika OH w otoczkach gwiazd
  • Masery metanolu w obszarach materii protogwiazdowej
  • Radioźródła w gromadach galaktyk
  • Metody przetwarzania danych
  • Poszukiwania planet wokół pulsarów
  • Poszukiwania pulsarów na wysokich częstotliwościach radiowych
  • Problem stabilności profili emisji pulsarów
  • Supergromada w Herkulesie
  • Radiowe promieniowanie Słońca

Prace doktorskie

  • K.T. Chyży - "Asymetrie i rozmiary liniowe radioźródeł i ich ewolucja kosmologiczna", opiekun - prof. dr hab. J. Masłowski, Kraków, 1994
  • M. Hanasz - "Badanie stabilności relatywistycznych strumieni plazmy w pozagalaktycznych radioźródłach", opiekun - prof. dr hab. M. Demiański, Toruń, 1993
  • M. Konacki - "Poszukiwanie planet poza Układem Słonecznym", opiekun - prof. dr hab. A. Wolszczan, Toruń, 2000
  • A. Marecki - "Obserwacje kwazara 3C286 globalnym radioteleskopem VLBI", opiekun - prof. dr hab. A. Kus, Toruń, 1992
  • L. Nowakowski - "Wtórne periodyczności w obserwowanym promieniowaniu radiowym pulsarów", opiekun - prof. dr hab. S. Gorgolewski, Toruń, 1981
  • I. Owsianik - "Badanie Zwartych Obiektów Symetrycznych", opiekun - prof. dr hab. A. Kus, Toruń,1999
  • S. Ryś - "Asymetrie w strukturach radioźródeł. W poszukiwaniu matematycznego opisu", opiekun - doc. dr hab. J. Machalski, Kraków, 1990
  • M. Szymczak - "Wybrane mechanizmy asymetrii emisji maserowej rodnika OH w otoczkach gwiazdowych", opiekun - prof. dr hab. S. Gorgolewski, Toruń, 1990
  • J. Usowicz - "Nieliniowe metody analizy widmowej astrofizycznych szeregów czasowych", opiekun - prof. dr hab. S. Gorgolewski, Toruń, 1980

Prace habilitacyjne

  • A.J. Kus - "Radiowe badania kwazara 3C309.1", UMK, Toruń, 1985
  • A. Wolszczan - "Dryf subpulsów i modulacja radiowej emisji pulsarów: porównanie teorii z obserwacjami", Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki, Warszawa, 1995

Konferencje

  • V Krajowy Zjazd URSI, 9-11 luty 1987, Toruń
  • XX YERAC , 8-11 September 1987, Toruń
  • EVN Directors Meeting, 22-24 March 1988, Torun
  • Workshop on Extragalactic Radio Jets, 1-3 July 1993, Torun-Piwnice, Torun Radio Astronomy Observatory
  • Extragalactic Astronomy and Observational Cosmology, Second General Meeting, European Astronomical Society, 18-21 August 1993, Torun, Poland Nicolaus Copernicus University
  • European VLBI Network Technical Working Group Meeting, 1-2 September 1993, Torun-Piwnice, Torun Radio Astronomy Observatory
  • Możliwości prowadzenia obserwacji radioteleskopem 32 m, Narada Robocza, Piwnice 17-18 luty 1994 r. Opracowanie: K.M. Borkowski i A.J. Kus, Katedra Radioastronomii UMK, Toruń
  • 16th Meeting of the ESF Associated Committee on Radio Astronomy Frequencies, 11-12 April 1994, Piwnice, Poland, Torun Radio Astronomy Observatory
  • Second EVN/JIVE Symposium, EVN Users Meeting and EVN Directors Meeting, October 21-22, 1994, Torun, Poland
  • International Summer School on Radio Astronomy, 21-26 August 1995, Torun, Poland, Nicolaus Copernicus University
  • I- I Krajowa Narada Użytkowników 32-m radiotelskopu CA UMK, 15-16 czerwiec 1998, Piwnice, Centrum Astronomii UMK
  • 27th Meeting of the ESF Associated Committee on Radio Astronomy Frequencies, 12-13 April 1999, Torun, Poland, Nicolaus Copernicus University
  • EVN Technical and Operations Group Meeting, Torun, Piwnice, 20-21 October, 2000, Torun Radio Astronomy Observatory
  • OCRA Meeting, Torun-Piwnice, 10 November 2000

Najważniejsze wydarzenia dwudziestolecia

  • Włączenie stacji toruńskiej do obserwacji VLBI w 1981 r. (pierwsze globalne obserwacje w 1992 r., obserwacje z kosmiczną stacją VLBI, VSOP, od maja 1997 r.).
  • Pierwsze obserwacje w Polsce pulsarów na RT3 (tj. antenie 15-m).
  • Pierwsze w Polsce obserwacje spektralne na RT3.
  • Uruchomienie i eksploatacja RT4 (tj. anteny 32-m).
  • Naukowe wyniki dotyczące kwazarów CSS, obserwacji otoczek OH w gwiazdach IR-OH, odkrycia nowych źródeł emisji maserowej na RT4, ruch nadświetlny w obiektach typu CSS i CSO, modele emisji jąder aktywnych galaktyk.
  • Stworzenie baz danych uzyskanych za pomocą RT4 (unikalne dane chronometrażowe pulsarów, katalogi widm źródeł metanolu oraz zbiory widm ,,szpilek” w promieniowaniu Słońca).
  • Osiągnięcia w rozwoju instrumentalnej bazy: spektrograf, odbiorniki, automatyzacja obserwacji, precyzyjne pomiary pozycji anten, służba czasu.