ALMA er med sit 16km store array verdens største observatorium!

På den flade højslette Llano de Chajnantor ca. 40 km sydøst for den lille chilenske ørkenby San Pedro de Atacama har et internationalt konsortium opbygget verdens mest ambitiøse radioobservatorium i en højde af 5000 m. Her ligger ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), som udgøres af ikke mindre end 66 store radioteleskoper, der kan anbringes med op til 16 km indbyrdes afstand.

ALMAs antenner på Llano de Chajnantor som de var opstillet den 7. februar 2014. Til højre ses Technical Building og over den spidsen af den imponerende stratovulkan Licancabur. Der vokser intet i denne højde på 5000 m, og man skal ikke bevæge sig for hurtigt!

Ved hjælp af interferometri og en supercomputer er det blevet muligt at skaffe information om og konstruere billeder af astronomiske objekter, der er meget koldere, end de stjerner, som vi forbinder med nattehimlen. ALMAs synsfelt er begrænset (ca. 2°), men opløsningsevnen er meget høj (10 millibuesekunder).

Som bekendt udsender Solen det meste af sit lys i det synlige område af spektret, fra ca. 400 nanometer (violet lys) til ca. 700 nm (rødt lys). Der er tale om varmestråling fra overfladen af Solen, hvis temperatur er ca. 5500 °C eller 5780 K. Kolde genstande udsender også varmestråling, men det sker ved længere bølgelængder.

Det første radiobillede af Månen fremstillet med en japansk ACA antenne ved en bølgelængde på 2 mm. Til venstre vises et tilsvarende visuelt billede taget med et digitalkamera (reflekteret sollys). Man ser tydeligt den varierende temperaturfordeling på Månen (varmestråling fra Månens overfladelag), idet rød farve angiver varme områder og blå kolde (som på vandhaner, men modsat stjernerne på himlen!). Ved ækvator svinger temperaturen mellem 100 K (−170 °C) og 390 K (120 °C).

ALMAs radioantenner kan registrere stråling med bølgelængder mellem 0,42 og 3,6 mm. Men sådan stråling absorberes let af vanddamp i Jordens atmosfære. Det er grunden til, at ALMA er placeret så højt og på så tørt et sted.

Strålingens bølgelængde er rundt regnet 1000 gange større end for synligt lys. Temperaturen af objekter, som udsender varmestråling her er derfor (ifølge Wiens forskydningslov) ca. 1000 gange mindre end Solens, dvs. 6 K eller −267 ° C! Så kolde områder finder man i det indre af støv- og gasskyer. ALMA er derfor velegnet til at undersøge ”undfangelsen” af stjerner og planetsystemer - hvor optiske teleskoper først kan registrere stjernerne fra deres ”fødsel” (dvs. når de begynder at lyse).

Området som ALMA ligger på, er udlejet af den chilenske stat for en periode af 99 år. Første spadestik blev taget i 2003 og siden har det europæiske ESO, det amerikanske NRAO, det japanske NAOJ samt canadiske og taiwanesiske astronomer i fællesskab opbygget det enorme anlæg. Ud over en administrativ enhed i Santiago de Chile består ALMA af Operations Support Facility (OSF) og af Array Operations Site (AOS). OSF ligger i en menneskevenlig højde af ca. 2930 m, og hertil ankommer løsdelene til antennerne og bliver samlet og afprøvet. Personalet kan spise og overnatte her, og det er også herfra, at de ansatte astronomer foretager observationer. De færdige antenner køres ved hjælp af to kæmpemæssige, specialkonstruerede, køretøjer, Otto og Lore, fra OSF op til AOS i 5 km højde. Her bliver antennen nænsomt anbragt med millimeternøjagtighed på ét af 192 mulige antennefundamenter.

Den første antenne ankommer på Chajnantor-højsletten. Den er blevet flyttet af en af to specialkonstruerede enorme køretøjer, der er U-formede og måler 20 × 10 × 6 m, vej 130 tons og har 14 individuelt styrbare hjul, hver med to dæk. Her er det Otto, som klarer flytningen af den 1000 t tunge antenne.

Et besøg hos ALMA

Jeg var inviteret til at besøge ALMA en dag i februar 2013. Man skal først identificere sig hos portvagten i en lille bygning ved hovedvejen fra San Pedro og skal ved samme lejlighed se en video om sikkerhedsforanstaltninger ved besøget. Det er noget ALMA gør meget ud af, for i en højde af 5000 m er lufttrykket kun det halve af trykket ved havoverfladen og iltindholdet altså tilsvarende mindre. Helbredet skal derfor være i orden. Ved et kort besøg som mit kan man nøjes med en kort lægeundersøgelse (blodtryk og iltoptagelse), men til et længere ophold i 5000 m højde kræves en langt grundigere kontrol. Ved kørslen fra OSF op til AOS og tilbage skal chaufføren desuden melde sig pr. radio for hver 10 km, og der er en iltbeholder med i bilen til nødstilfælde.

Indvielsen af ALMA fandt sted på OSF den 13. marts 2013 under overværelse af bl.a. Chiles præsident. Samtidigt blev der afholdt en indiansk ceremoni i højderne ved AOS. I øjeblikket er antennerne opstillet i en kompakt konfiguration, der er velegnet til at undersøge mere udstrakte områder af himlen. Man regner med, at anlægget er fuldt indkørt i 2015, men man har i mange år gennemført projekter på forsøgsbasis.

Et udvalg af ALMAs 66 antenner. De to store i forgrunden har en antennediameter på 12 m og er leveret af den europæiske del af ALMA-konsortiet. Længere borte (med en anderledes konstrueret holder til modtageren, en kryostat, ses nogle af de japanske 7-m antenner. Himlen i en højde af 5000 m er meget klar og synligt mørkere end i havniveau.

At der blandt professionelle astronomer er stor interesse for ALMAs muligheder fremgår af, at der til den kommende observationsperiode, Early Science Cycle 2, var indsendt 1381 ansøgninger om observationstid, men kun 1700 timer til rådighed. Et internationalt sammensat panel udvælger de bedste projekter, kun et par hundrede kan regne med at slippe gennem nåleøjet. Astronomerne foretager dog ikke selv målingerne, de udføres af ALMAs astronomer, der kender observatoriet til fingerspidserne. Derved spares rejseudgifter og fummelfingrethed hos uerfarne nytilkomne astronomer giver ikke spildtid. Så snart der foreligger brugbare data, bliver disse sendt eksklusivt til projektets principal investigator. Dennes gruppe har så eneret til disse data i et år, hvorefter ALMA offentliggør dem.

Fra stråling til billede er der en lang vej. Millimeterbølgerne fra det himmelobjekt, som man er interesseret i, opfanges af antennen og fokuseres på en kryostat i antennens brændpunkt. Her måles luftens fugtighed løbende og signalet kompenseres for absorptionen fra vanddamp. Desuden digitaliseres signalet og sendes så via fiberkabel til Technical Building, der står i nærheden. Her befinder ALMAs ”hjerne” sig.

Et kig ind i ALMAs ”hjerne”. Her ses en del af den supercomputer, som bruges til at styre de mange antenner og, ikke mindst, bearbejde den syndflod af data, som de leverer. For at modvirke døsighed hos de ingeniører, som betjener anlægget i den tynde luft i 5000 m højde, bliver luften i bygningen beriget med oxygen.

 Det er den såkaldte korrelator, en supercomputer, som er i stand til at samle input fra de mange antenner og analysere den enorme strøm af information fra antennerne, sammenligne signalerne og via en kompliceret matematisk analyse af dem at danne et billede af objektet. Det sker bl. a. ved parvis at lade signalerne fra to antenner interferere med hinanden og analysere det fremkomne mønster. Men med 66 antenner i sving bliver antallet af kombinationsmuligheder ganske stort, nemlig 66∙65/2 = 2145, så supercomputeren mangler ikke arbejde. Korrelatoren har en kapacitet på 17 petaflops/s dvs. den er i stand til at udføre 17 billiarder regneoperationer pr. sekund; husk lige, at 1 billiard = 1 million milliarder.

ALMA har allerede i sine baby-år gjort flere bemærkelsesværdige opdagelser. Man kan læse om disse her på Astronomibladet ved at benytte ”ALMA” som søgeord.

Referencer og hjemmesider:
ALMA: http://www.almaobservatory.org/
ESO: http://www.eso.org/public/teles-instr/alma/
NRAO: https://science.nrao.edu/facilities/alma
NAOJ: http://alma.mtk.nao.ac.jp/e/ (på engelsk!)
Indslag i CBS "60 minuttes" Velproduceret, informativt, med flotte, velvalgte billeder. Desværre skæmmet af to ens likør-reklamer.