Vývoj režimu slunečních pozorování observatoře ALMA úspěšně dokončen

V aktuálně probíhajícím pozorovacím Cyklu 5 největšího astronomického přístroje současnosti – radiového interferometru ALMA[1] – provádějí pracovníci výzkumné infrastruktury EU-ARC.CZ zpracování a kontrolu kvality dat z nedávného pozorování Slunce. Zredukovaná data zobrazená metodou interferometrické syntézy poté budou prostřednictvím centrály Evropského regionálního centra ALMA (EU ARC) se sídlem v ESO[2] v Garchingu u Mnichova odeslána vedoucím jednotlivých pozorovacích projektů, kteří následně začnou s jejich vědeckou analýzou. Pozorování Slunce nabízí observatoř ALMA odborné veřejnosti teprve ve druhém pozorovacím cyklu. Na přípravě tohoto speciálního režimu pracoval několik let mezinárodní tým Solar ALMA Development Team složený ze zástupců ESO, severoamerické NRAO a japonské NAOJ[3]. Výzkumná infrastruktura EU-ARC.CZ v něm jakožto jediný uzel evropské sítě ALMA s expertizou v oblasti slunečních radiových pozorování zastupovala celou Evropu. V roce 2015 také EU-ARC.CZ získala od ESO podporu v podobě projektu typu Enhancement and Optimization of (ALMA) Capabilities s názvem Solar Research with ALMA. Tento projekt byl úspěšně dokončen na konci loňského roku a celkový přínos evropského zastoupení pod vedením EU-ARC.CZ k vývoji slunečního pozorovacího režimu získal od oponentního panelu velice kladné hodnocení. Článek shrnující vývoj speciálního režimu, který umožnil observatoři ALMA pozorovat Slunce, vyšel v aktuálním vydání časopisu ESO The Messenger[4] (číslo 171, 2018).

Pozorování Slunce interferometrem ALMA je v mnohém odlišné od pozorování ostatních astronomických zdrojů, zejména kvůli jeho řádově vyšší jasnosti (v oboru milimetrových vln) a také v důsledku vlastních pohybů zdrojů na povrchu Slunce, jako i jejich dynamické proměnnosti na velice krátkých časových škálách. Aby se soustava šedesáti antén tvořících interferometr ALMA mohla vůbec na Slunce podívat, musí být jejich povrch chemicky zdrsněný tak, aby rozptýlil viditelnou a infračervenou složku slunečního záření. Vysoká jasnost Slunce také způsobuje saturaci a silně nelineární chování přijímačů antén a navíc komplikuje pozorování slabých kalibračních objektů. Řešením se ukázal být proces umělého „rozmazání“ signálu, které sníží intenzitu záření do nominálních mezí, a také použití stupňových zeslabovačů signálu pro přechod mezi Sluncem a kalibrátory v průběhu pozorování. Rovněž výpočet polohy Slunce a objektů na jeho povrchu je specifický. Zdánlivý pohyb Slunce po obloze se kvůli oběhu Země liší od zdánlivého pohybu hvězd a navíc se sčítá s vlastním pohybem zdrojů (např. filamentů nebo skvrn) po povrchu Slunce. Ten je způsoben složitou dynamikou sluneční atmosféry, jejímiž hlavními složkami jsou diferenciální rotace a meridionální cirkulace. Výzvu představuje také rozložení jasnosti, které na Slunci pokrývá široké rozmezí prostorových škál od úhlových vteřin až po průměr celého slunečního disku (cca 0.5 uhlového stupně), a navíc se mění na velice krátkých časových škálách (cca desítky sekund). Při pozorování Slunce jsou tak na rozdíl od ostatních astronomických objektů do pozorování zapojeny všechny antény observatoře ALMA najednou (tzn. hlavní pole 12-m antén, kompaktní pole 7-m antén, i samostatné tzv. TP 12-m antény).

Specifické postupy a navržená řešení byla postupně odzkoušena přímo na observatoři v Chile v rámci tzv. testovacích pozorovacích kampaní. Dvou z nich se v prosinci 2014 a 2015 zúčastnili pracovníci výzkumné infrastruktury EU-ARC.CZ, kteří se podíleli také na optimalizaci nastavení pozorování pro různé typy vědeckých projektů (tzv. Science Cases) – např. studium protuberancí, skvrn, klidné chromosféry atp. či na simulacích očekávaných výstupů pozorování. Následně během pozorovacího Cyklu 4, který poprvé umožnil veřejná pozorování Slunce, působili na observatoři ALMA jako zvaní experti v roli Astronomers on Duty. Jedním z nejvíce ceněných příspěvků EU-ARC.CZ je vývoj speciálního softwarového nástroje – Solar Ephemeris Generator[5], který předpovídá nebeské souřadnice (tzv. efemeridy) dynamických objektů na Slunci s přesností na dva dny dopředu. Tento nástroj je nyní využíván pro přípravu pozorování nejen na interferometru ALMA, ale i na dalších radiových observatořích, např. Very Large Array (VLA) v Novém Mexiku, USA.

Přestože byl sluneční režim observatoře ALMA poprvé přístupný již v Cyklu 4 na přelomu let 2016/2017, práce pro mezinárodní vývojový tým tím zdaleka neskončila. Bylo potřeba odladit navržené pozorovací metody, sepsat podrobnou dokumentaci a zejména vyvinout specifické postupy redukce a kontroly získaných slunečních dat. Po schválení těchto procedur observatoří ALMA obdrželi na konci roku 2017 autoři úspěšných projektů z řad světové astronomické veřejnosti své první vlastní vědecky využitelné obrazy Slunce. Metodika pozorování Slunce interferometrem ALMA byla popsána jednak ve dvou rozsáhlých článcích, které vyšly na konci roku 2017 v časopise Solar Physics[6],  jednak ve formě výzkumných zpráv, které EU-ARC.CZ vypracovala pro ESO, a také jako dokumenty v rámci tzv. ALMA Memo Series. Pracovníci EU-ARC.CZ nyní rovněž publikovali první vědecké analýzy dat získaných v průběhu testování slunečního pozorovacího režimu (tzv. Commissioning and Science Verification)[7].

V oblasti slunečních pozorování radiovým interferometrem ALMA získala výzkumná infrastruktura EU-ARC.CZ, která sídlí v Astronomické ústavu AV ČR v Ondřejově, pozici expertního centra, které poskytuje podporu všem evropským uživatelům (a také uživatelům ze zemí mimo celosvětovou síť Regionálních center ALMA). Již nyní také mezinárodní tým pracuje na dalším rozšíření technických možností slunečního režimu ALMA (spektroskopie, měření polarizace atp.) a na vývoji procedur pro specifické zpracování časově proměnných slunečních dat, zejména tzv.  time-domain imaging vyvíjený přímo v EU-ARC.CZ. Na závěr dlužno říci, že pracovníci výzkumné infrastruktury EU-ARC.CZ se mimo výzkumu Slunce věnují také galaktické a extragalaktické astrofyzice a podpoře souvisejících projektů pro nejmodernější astronomický přístroj ALMA.

Testovací pozorovací kampaň pro ověření procedur slunečního režimu na observatoři ALMA v Chile v letech 2014 a 2015. Zúčastnění členové z mezinárodního týmu Solar ALMA Development Team (nahoře). Ukázky získaných dat (tzv. Science Verification data) – interferometrický obrázek slunečního filamentu na frekvenci 100GHz a jeho srovnání s daty z přístroje AIA na sondě Solar Dynamic Observatory (vlevo dole); interferometrický detail sluneční skvrny na frekvenci 240GHz (třetí panel dole); mapa Slunce získaná metodou rychlého skenování jednou TP anténou na frekvenci 100GHz (vpravo dole).

[1] Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (almascience.eso.org)

[2] Evropská jižní observatoř (European Southern Observatory, www.eso.org)

[3] National Radio Astronomy Observatory; National Astronomical Observatory of Japan

[4] https://www.eso.org/sci/publications/messenger/archive/no.171-mar18/messenger-no171-25-30.pdf

[5] viz. https://almascience.eso.org/tools (autor Dr. I. Skokić)

[6] (1) Shimojo, M. et al. (2017), Observing the Sun with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array  (ALMA): High-Resolution Interferometric Imaging, Solar Physics, vol. 292, id. 87; (2) White, S. et al. (2017), Observing the Sun with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA): Fast-Scan Single-Dish Mapping, Solar Physics, vol. 292, id. 88

[7] Brajša, R. et al. (2018): First analysis of solar structures in 1.21 mm full-disc ALMA image of the Sun, Astronomy & Astrophysics, vol. 613, A17