ALMA ser mot Solen

Radioteleskopet ALMA er mest kjent for å se på det kalde universet, men kan også rettes mot den brennende Solen.

ALMA-antenner i ørkenen

Åtte ALMA-antenner i aksjon på det 5000-meter høye platået i de Chilenske Andes-fjellene.  Bilde: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)  

På svimlende 5000 meters høyde i Atacama-ørkenen i Chile er en gruppe på 66 kraftige parabolantenner plassert. Dette er Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Antennene kan registrere ekstremt høyfrekvente radiobølger, stråling som har bølgelengde på rundt en millimeter. Denne strålingen kan ikke mennesker se.

En høy og tørr observasjonsplass er viktig for astronomer, og Atacama-ørkenen er et av de tørreste stedene på hele jordkloden. I området er det også svært lite forstyrrende lys og stråling fra byer, for det er et øde sted.

Atacama-ørkenenAtacama-ørkenen. Utsikt til et annet astronomisk observatorium (QUIET) som har blitt installert nettopp her for å oppleve de utmerkete observasjonsforholdene. Foto: Jostein Kristiansen.

ALMA-observatoriet er mest kjent for studier av de første stjerner og galakser i universets historie, og for å ta direkte bilder av planeter som dannes i gasskyer rundt unge stjerner. At ALMA også kan brukes til å studere vår nærmeste stjerne Solen, er ukjent for mange, selv for mange astronomer. 

Ikke lyd

Elektromagnetisk stråling deles gjerne inn i grupper etter hvor lang bølgelengden er.

ALMA-teleskop nærbildeNærkontakt med en av ALMAs antenner. Foto: Jostein Kristiansen.

Bølgelengden forteller også hvor energirik strålingen er. Gammastråling og røntgenstråling har korte bølgelengder og mye energi, mens mikrobølger og stråling i radioområdet har lang bølgelengde og er mindre energirik. 

De ulike bølgelengdene i det lille bølgelengdeområdet som kalles synlig lys, kan vi se som alle regnbuens farger.

ALMA-antennene registrerer stråling som har en bølgelengde på mellom 0,3 og 9 millimeter. Selv om strålingen kalles «radio» er det ikke snakk om lyd.

Lyd er trykkbølger gjennom luften rundt oss. I verdensrommet er det ikke luft og ingen måte å sende lyd på. Radiostrålingen som astronmene fanger opp, er stråling fra det elektromagnetiske spektrum som har lengre bølgelengde enn synlig lys. Vi kan altså ikke se denne strålingen med øynene. 

De nære ting

Hvis man følger med på nyheter fra ALMA-teleskopet, er det ofte snakk om eksotiske objekter langt ute i verdensrommet, magnetfelt rundt sorte hull eller enorme molekylskyer i det interstellare rom og stråling fra de fjerneste galaksene i universet.

ALMA-teleskopet om natten.ALMA-teleskopet om natten. Krystallklar himmel. Klikk på bildet for større versjon. Bilde: ESO/B. Tafreshi

Flere og flere astronomer som forsker på vår nærmeste stjerne Solen, har imidlertid fått øynene opp for mulighetene som ALMA byr på for dem. En av dem er solforsker Sven Wedemeyer ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo. 

– ALMA er faktisk bygget for også å kunne se på Solen, forteller Wedemeyer.

Paraboldiskene er spesialbehandlet på mikronivå, noe som må til for at de ikke skal bli ødelagt når de rettes mot den brennende heten fra Solen. Selv om Solen er 150 millioner kilometer unna oss, er dette i astronomisk sammenheng for en av våre nærmeste naboer å regne. Antennene har en spesiell overflate som gjør at de sprer bort all annen stråling fra fokuspunktet. 

– Hittil har det vært få som har tenkt på å bruke ALMA til solobservasjoner, og det er mange tekniske utfordringer å løse. Prosjektet er for tiden i en testfase, forteller solforskeren.

Når sekundene teller

En av forskjellene mellom solforskere og mange andre astronomer, er at solforskere må forholde seg til raske forandringer. Siden Solen er så nærme, kan bildene de får ha så bra oppløsning at vi kan se forholdene på soloverflaten forandre seg i løpet av minutter og sekunder.

Dette gjør at solforskere må bruke svært forskjellige analyseteknikker fra en astronom som for eksempel studerer en planetarisk tåke eller en fjern galakse. Mange fjerne objekter i universet vil ikke forandre seg fra dag til dag eller fra år til år, sett fra Jorden. 

Solforskerne ved Universitetet i Oslo er interesserte i å studere et tynt atmosfærelag i Solen som kalles kromosfæren. Her skjer raske forandringer fra det ene sekundet til det neste, og forskerne ønsker mange bilder med svært kort tid mellom hvert bilde. Dette kan ALMA gi dem.

Mer enn bare ett punkt

I tillegg til at Solen forandrer seg raskt, er den i motsetning til andre stjerner en utstrakt lyskilde. Andre stjerner er så langt unna at vi kun kan se dem som punktkilder på himmelen, selv gjennom kraftige teleskoper.

ALMA kan gi veldig god romlig oppløsning på bildene, som vil si at man vil ha mulighet til å se små detaljer. Dette er også vesentlig for moderne solforskning. Imidlertid trengs det en del bearbeiding av observasjonene for å få det til når man studerer noe som ikke er en punktkilde.

Sven WedemeyerSolforsker Sven Wedemeyer ved Institutt for teoretisk astrofysikk, UiO.

– En ALMA-antenne mottar stråling fra et bestemt område på himmelen om gangen, forteller Wedemeyer. 

Tenk deg en lyskjegle som starter hos antennen og strekker seg ut til himmelen. Kjeglen danner en sirkel på himmelflaten. Dette er det området som astronomene kaller primary beam. Innenfor denne sirkelen på himmelen samler ALMAs instrumenter stråling.

Hvis man i motsetning til punktkilder studerer et utstrakt objekt, som Solen, som har en viss struktur innenfor dette området, så trengs det en del arbeid for å få til et resultat uten å skade instrumentene.

– På en eller annen måte må den sterke innkommende strålingen reduseres, sier solforskeren.

Dette kan for eksempel gjøres med en speisell type solfiltre.

Kunstige observasjoner

Det internasjonale nettverket SSALMON jobber med å utvikle teknikker for å simulere ALMA-observasjoner av Solen. Når forskerne simulerer observasjoner vil det si at de programmerer en datamaskin til å lage kunstige bilder av hvordan de tror ekte ALMA-bilder av Solen vil se ut.

Simulering av solobservasjoner med ALMAHva ALMA vil kunne se på Solen. Tidsserie av kunstig temperaturkart på 1 mm bølgelengde basert på en 3D-modell. Bilde: Wedemeyer-Böhm et al. 2005, ESA SP-560, 1035. ssalmon.uio.no

– Det fine med simulerte observasjoner er at vi vet svaret på forhånd, forklarer Wedemeyer, som er leder for nettverket.

Først lager forskerne et kunstig bilde av soloverflaten. Oppå dette bildet kan de så legge støy fra de instrumentene de har tenkt å observere med. Dermed kan de se hvordan et gitt scenario vil se ut med de ekte ALMA-antennene.

Slik bruker forskerne datamaskiner til å lage og undersøke hvordan man kan finne ut mest mulig fra de ekte observasjonene. 

– Dette hjelper oss til å få et realistisk bilde av hva som er verdt å bruke ekte observasjonstid på, og hva som kanskje ikke er så viktig å se etter, forteller Wedemeyer.

– Vi leter etter svar på spørsmål som: Hva slags romlig oppløsning kan vi forvente fra en bestemt observasjon? Må vi lage et mosaikkbilde eller holder det å peke antennene i én retning? Hvilke bølgelengder er det lurt å konsentrere seg om?

I 2016 håper Ssalmon-forskerne å sende inn en søknad om observasjonstid med ALMA. Wedemeyer jobber med å forutsi hva ALMA vil kunne se i områder på Solen med lite magnetisk aktivitet. Andre forskere i nettverket jobber med soleksplosjoner og aktive områder på Solen.

Wedemeyer trodde først at nettverket kom til å forbli en liten gruppe spesielt interesserte solforskere.

– Men vi har vokst! Vi har nå 60 medlemmer med svært forskjellig vitenskapelig bakgrunn. Medlemmene kommer fra 16 ulike land. Det er folk som har jobbet med teori, radioastronomi, romteleskop, bakkebaserte teleskoper... vi er visst mange som er interesserte i å gjøre solforskning med ALMA, forteller han.

Observasjoner fra bakken og fra rommet jobber sammen

Det er mange store vitenskapelige spørsmål om Solen forskerne håper ALMA kan hjelpe dem å finne svar på. For eksempel kan ALMA måle magnetfeltet i kromosfæren. Målinger i millimeterområdet av temperatur og magnetfelt i forbindelse med små soleksplosjoner vil også være svært interessant å studere. Forskerne håper å etter hvert kunne samkjøre ALMA-observasjoner av Solen med solobservasjoner fra solsatellitten IRIS.

– ALMA og IRIS utfyller hverandre, og vil til sammen gi observasjoner som har et enormt potensiale til å kartlegge ulike lag av den ioniserte gassen i kromosfæren, avslutter Wedemeyer.

Denne artikkelen er også publisert i forskning.no.

Av Anna Kathinka Dalland Evans
Publisert 10. juni 2015 09:12 - Sist endret 11. juni 2015 11:57