Hledání galaxií v kupce šumu

Analogová rádia byla kdysi téměř nepostradatelnou výbavou domácnosti. Před érou streamované hudby museli poslechuchtiví uživatelé naladit rádio na přesnou frekvenci, na které kýžená stanice vysílala. Pokud naladili frekvenci špatnou, neznamená to, že se z rádia neozývalo nic, naopak – obvykle z něj vycházel hlasitý šum, pískání, šustění nebo třeba praskání. Když však pečlivě otáčeli příslušným knoflíkem, požadovaná frekvence se dala naladit docela přesně. V tu chvíli jim byl odměnou téměř čistý poslech dané stanice, nerušený nepříjemným šumem.

Zbavit se šumu v radioastronomii je však bohužel složitější než pouhá úprava frekvence otáčením knoflíku. Domácí rádio totiž umí v danou chvíli přijímat pouze jeden frekvenční kanál. Radioteleskop, jehož cílem je získat co nejvíce dat, obvykle zaznamenává stovky, tisíce, dokonce desetitisíce frekvenčních kanálů naráz. A co hůř, jako astronomové často sami předem nevíme, které z nich obsahují ten pravý, vědecky zajímavý signál a ve kterých převažuje šum. Jak tedy rozlišujeme, které jsou které?

Galaxie (jasné body) na části oblohy pozorované dalekohledem Arecibo. Levý obrázek ukazuje, jak se rádiové záření jeví na obloze. Pravý obrázek má na svislé ose frekvenci (kterou lze převést na rychlost), přičemž každou galaxii představuje jasná protáhlá skvrna pokrývající určitý frekvenční rozsah v závislosti na tom, jak rychle rotuje.

Snímek Rhys Taylor

Signály z radioteleskopu

Nejprve se zaměřme na to, jak vlastně vypadá výstup radioteleskopu. Navzdory tomu, co prezentují tvůrci hollywoodských filmů, radioastronomové dnes používají sluchátka pouze ve velmi výjimečných případech, protože signály, které nás zajímají, jsou zpravidla statické a neměnné. Rádiové vlny mají stejnou povahu jako světlo, jen mají mnohem větší vlnovou délku. Takže stejně jako v optické astronomii je výsledkem rádiového pozorování obrázek, nikoliv zvuk. Protože ale radioteleskopy detekují tolik frekvencí najednou, nejedná se o jeden obrázek dané části oblohy jako v případě optického dalekohledu, ale o tisíce obrázků, které vznikají současně při každém pohledu teleskopu na oblohu. Na obr. 1 vidíme, jak by vypadala za ideálních podmínek data z dalekohledu Arecibo určeného k detekci vodíku (o radioteleskopu Arecibo viz Vesmír 100, 111, 2021/2). Většina jasných útvarů na těchto obrázcích odpovídá jednotlivým galaxiím, zatímco pozadí představuje šum – ono praskání ozývající se ze špatně naladěného rádia. S pomocí frekvenčního diagramu můžeme na jediném obrázku vidět, že detekované galaxie zabírají mnoho různých frekvenčních kanálů. Díky tomu víme, že galaxie rotuje, protože každý frekvenční kanál odpovídá jiné rychlosti. Čím je daná galaxie jasnější, tím více plynu obsahuje, a tak jsou nejslabší galaxie sotva rozpoznatelné od šumu. Zde nastupuje frekvenční diagram. I když je těžké slabou galaxii najít, lze ji obecně rozlišit od šumu právě proto, že zabírá mnoho frekvenčních kanálů. Takto protáhlé objekty totiž zpravidla náhodnými efekty šumu nevznikají.