• Observatorija
• Forums
• Zeme
• Saules sistēma
• Visums
• Kosmosa kuģi
• Tehno loģijas
  • Kosmiskie aparāti un kuģi
  • Teleskopi
  • Sakari
  • Dzīve uz citām planētām
  • Skafandri
  • Simulācijas, eksperimenti
  • Roboti
  • Mazliet politikas
• Spin-off
• Vērojam debesis
• Vēsture
• Attēli un video
• Mazajiem par kosmosu
• Citas ziņas

ALMA – milzu teleskopa dzimšana

Ikreiz, kad mēs aplūkojam kādu no attēliem, kas ilustrē Kosmosa tāles un kas iegūts ar kādu no virszemes vai kosmiskiem teleskopiem, mūsu uzmanība ir pievērta attēlam, nevis tam brīnumainajam rīkam, kas to līdz mums nogādājis un „atvēris” mūsu acis Visumam. Ko gan mēs zinām par šīm acīm, kas spēj redzēt krietni tālāk un skaidrāk par mūsējām? Un ko zinām par cilvēkiem, kas šos instrumentus radījuši? Parasti neko daudz. Šajā stāstā Latvijas Radio zinātnes žurnāliste Sandra Kropa atklāj, kas palicis nepateikts par to, kā dienasgaismu ieraudzījis viens no dižajiem planētas teleskopiem.

Mainīgās debesis

Tūkstošiem gadu cilvēki ir skatījušies debesīs un jautājuši vienus no vissarežģītāk atbildamajiem jautājumiem – vai mēs Visumā esam vieni? No kurienes mēs nākam?  Vai nav interesanti, ka pēc 3000 gadiem mēs esam sasnieguši tādu tehnoloģiju progresu, ka spējam nosūtīt robotus uz Marsu un kosmiskos aparātus pat aiz Saules sistēmas robežām, bet tik un tā jautājam tos pašus jautājumus? Vai šobrīd, kad esam uzbūvējuši teleskopus gan uz Zemes, gan Kosmosā, mēs esam tuvāk atbildēm?

Lai arī mūsu rīcībā nav neapstrīdamas atbildes par mūsu kosmisko izcelsmi, mēs tik un tā zinām vairāk nekā mūsu senči -  mēs varam ielūkoties daudz tālāk Kosmosā un labāk saprast astronomijas rakstīto grāmatu. Bet ne jau tikai pateicoties labākiem instrumentiem tas kļuvis iespējams.

Naksnīgās debesis, kurās lūkojamies, ir atšķirīgas no tām, kuras izzināt centās senie grieķi un babilonieši. Jau vairāk nekā 50 gadus eiropieši ir aizvirzījušies krietni tālāk ar savām ģeogrāfiskajām robežām un nu jau Visumu pēta no dienvidu puslodes debesīm, kuras ir daudz piemērotākas astronomiskajiem novērojumiem.  

Tā ir arī vieta, kur tiek būvēti pasaules jaudīgākie teleskopi. Kāpēc? Tāpēc, ka dienvidu debesis ir tīrākas – tajās ir mazāk gaismas piesārņojuma nekā Eiropā un tās arī astronomiem sniedz iespēju ielūkoties citos Visuma reģionos – tikai no dienvidu puslodes ir saskatāms mūsu galaktikas centrs, pavisam citas Piena ceļa daļas un arī Magelāna Mākoņu pundurgalaktikas

Labāk kopā

Līdzīgi kā astronauti nevar vieni paši doties Kosmosā, nesadarbojoties ar simtiem vai pat tūkstošiem citu cilvēku, kas strādā uz Zemes, astronomi vieni nevar novērot Visumu bez citu palīdzības. Mūsdienās, lai būtu konkurētspējīgas un piedāvātu revolucionārus atklājumus zinātnē, vairākas Eiropas valstis ir apvienojušās, lai radītu vienu no lielākajām produktīvākajām astronomijas organizācijām pasaulē – Eiropas Dienvidu Observatoriju (ESO)

Sadarbība ir atslēgas vārds tam, kāpēc Eiropai ir izdevies paplašināt savas debesis līdz dienvidu puslodei. Pasaules labākais optiskais teleskops  - Ļoti Lielais Teleskops (VLT) tika uzbūvēts sadarbojoties deviņām Eiropas valstīm un savu mājvietu atrada tālu no Eiropas – Čīlē. Tāpat arī Čīle pajumti ir devusi vienam no lielākajam astronomijas projektiem cilvēces vēsturē -  Atakamas Lielajam Milimetru/submilimetru Režģim (ALMA) jeb radio teleskopam, kas sastāv no 66 antenām un ir tik jaudīgs, ka spēj analizēt tālu starpzvaigžņu gāzu un putekļu mākoņu molekulāro sastāvu. Lai to sasniegtu, eiropieši sadarbojās ar amerikāņiem un japāņiem, iesaistot šajā projektā 20 valstis.

ALMA ir liels projekts, kuram ir daudz sadarbības partneru ar dažādām interesēm, taču kā atklāj ALMA projekta vadītājs Ričards Kurcs (Richard Kurz,)  sadarbība starp Eiropas valstīm bija daudz vieglāk koordinējama, pateicoties ESO: „Šāda organizācija nodrošināja, ka starp visām dalībvalstīm pastāv vienota sadarbības sistēma. Bija svarīgi panākt, ka arī citas organizācijas dažādajās Eiropas valstīs, kur tapa ALMA tehnoloģijas, piekrīt sadarbības nosacījumiem un ir ar līdzīgām interesēm.”

VLT un ALMA jau ir pierādījuši savu spēku, piedāvājot lieliskus rezultātus par tuvāko planētu sistēmu veidošanos un attīstību, tāpat arī ļaujot ielūkoties tālākajos un aukstākajos Visuma reģionos, atklājot arvien jauna par mūsu kosmisko izcelsmi. Taču visiem teleskopiem, sākot no leģendārā Galileo Galileja teleskopa un beidzot ar mūsdienu veiksmes stāstiem VLT un ALMA, ir kas kopīgs – tie visi sākās no idejas.

No idejas līdz realitātei

Šogad astronomijas grāmatā jaunu nodaļu sāka rakstīt ALMA observatorija. Tā tika oficiāli atklāta 2013.gada 13.martā, kad vairāk nekā 50 antenas fokusēja skatienu uz galaktikas centru.

Esot tur un skatoties, kā antenas kopīgi kustina savus šķīvjus dažādos virzienos lūkojoties debesīs sinhroni kā dejotāji laba horeogrāfa vadībā, bija grūti iedomāties, ka no idejas par ALMA esamību līdz tās būvniecībai, pagāja 20 gadi un tajā bija iesaistīti neskaitāmi cilvēki, kuru vārdus neviens nepiesauc.

Ar ko sākās ALMA ideja, atmiņās dalās ALMA Eiropas projekta vadītājs Volfgangs Vilds (Wolfgang Wild), kurš teleskopa dzimšanai bija klāt jau no tā pirmajām dienām: “Jau laikā no 1980. Līdz 1990.gadam astronomi Eiropā, ASV un Japānā, domāja par lielu milimetru viļņu interferometru.  Bija trīs atsevišķi, savstarpēji nesaistīti projekti un līdz ar to arī idejas par šāda instrumenta potenciālo atrašanās vietu atšķīrās. Patiesībā Japānas zinātnieki bija pirmie, kuri izpētīja vietu Atakamas tuksnesī. Viņi tur veica pētījumus 1992. gada novembrī. Pagājušā gadsimta pēdējā desmitgadē  tad arī visi nonāca pie secinājuma, ka labāk ir apvienot spēkus un veidot visiem kopīgu, lielu observatoriju, kas būtu ieguvums ikvienam. Tas bija pirmais brīdis, kad nopietni sāka domāt par vienotu, lielu interferometru”.

Sadarbība starp Eiropu un ASV sākās 1999.gadā, nedaudz vēlāk, 2001.gadā visas trīs puses jau parakstīja vienošanos par "savstarpēju nodomu būvēt un ekspluatēt milzu radioteleskopu".  2004.gadā visi trīs partneri parakstīja oficiālu līgumu par ALMA projekta būvniecību.

Īstais teleskopa projektēšanas darbs sākas tad, kad zinātniskā ideja sastopas ar tehnoloģisko koncepciju. Tas ir brīdis, kad zinātnieki un inženieri diskutē par mērķiem un iespējām. Kad vienošanās ir panākta un finansējums pieejams, var sākt domāt jau par tehniskām detaļām. 

„Kamēr ALMA sāka iezīmēt savas aprises, lielākās diskusijas sagādāja tehnoloģiski specifiskās detaļas, piemēram, cik daudzām antenām būtu jābūt un kādiem būtu jābūt to šķīvjiem. Tāpat nebija vienprātības, kādiem tieši būtu jābūt antenu uztvērējiem, to jutībai un kā antenu režģis būtu jākalibrē,” atceras V.Vilds.

Atbildes uz jautājumiem par ALMA antenu diametru, precizitāti un skaitu, uztvērēju īpašībām un to, kādai tieši jābūt vietai, kur teleskops tiks būvēts, tika rastas jau ilgi pirms  pirmās antenas ieradās Čahnantora plato 2009.gada septembrī.

Teleskopa atrašanās vieta bija viens no sarežģītākajiem jautājumiem, kas bija jāatrisina tā būvēšanas laikā. ALMA vieta tika izvēlēta, balstoties uz stingrām prasībām, kas noteica, ka atmosfērā jābūt zemam ūdens tvaika molekulu saturam,  vietai jāatrodas lielā augstumā un šajā augstumā jābūt iespējai izvietot antenas 16km platībā. Tāpat šai vietai noteikti bija jāatrodas dienvidu puslodē, apmēram 30 grādu platuma.

Atrast šādu vietu vien ir liels izaicinājums, bet kad tas ir izdarīts, sākās intensīva vietas testēšana, lai pārliecinātos, ka vieta tiesām ir piemērota. Tika veikti daudzi pētījumi par laika apstākļiem, iespējamo lietus daudzumu, mākoņainību, ūdens daudzumu atmosfērā un citiem raksturlielumiem.

“Dažkārt šādi pētījumi notiek ilgstoši, tie var ilgt pat gadiem ilgi, ja projekta realizācijas laiks to atļauj. Parasti to veic tikai daži cilvēki, kuri uzstāda automātiskās mērījumu sistēmas izvēlētajā vietā un vēlāk analizējot datus, ” skaidro V.Vilds.

Ir vairāk nekā skaidrs, ka tik liels un dārgs projekts kļūst par realitāti pēc ilgas un pamatīgas pētījumu stadijas un teleskopa simulācijas. Jo kā gan lai savlaicīgi saprot, vai dārgais teleskopa projekts maz ir iespējams un ir izvēlēta pareizā stratēģija, lai tas strādātu atbildoši iecerei? Šādam mērķim tika būvēts noteikt prototips – tā saucamais prekursors – teleskopa darbībai svarīga daļa, lai pārbaudīt tehnoloģiju, saprastu, kā tā darbojas un uzlabotu to pirms galējās uzstādīšanas.

V.Vilds atklāj, ka pirmais ALMA prototips tika pārbaudīts noteiktā vietā ASV: “Mums vajadzēja uzbūvēt dažādu antenas daļu prototipus  - arī uztvērēju, lai pārliecinātos, vai tie patiešām veic to darbu, ko no tiem sagaida. Simulācijās tika radīti arī apstākļi, kas detaļām varētu sagādāt grūtības. Un kad katra sistēma atsevišķi tika pienācīgi pārbaudīta, tās tika apvienotas.”

Observatorijas būvniecība sākās 2003.gada novembrī, kad pabeidza vietas testēšau un apstiprināja antenu režģa dizainu. Eiropā būvēto antenu konstruēšanā sākās tikai 2006.gadā.

Ilgais mājupceļš

Kad antenas tika uzkonstruētas, tās sāka savu ilgo ceļu uz galamērķi – Atakamas tuksnesi. Tās turp ieradās no dažādām pasaules vietām – daļa no Āzijas, daļa no Amerikas un daļa antenu tika būvētas Eiropā.

Tas ir iemesls, kāpēc visas ALMA antenas nav identiskas. Eiropā būvētās ir mazliet vieglākas, jo to radīšanā izmantota oglekļa šķiedra, tikmēr ASV būvēja antenas no metāla. Taču neatkarīgi no izejmateriāla un izcelsmes vietas, tās visas atbilst vienādiem kritērijiem. Tās tika nosūtītas uz Čīli pa daļām un kopā tika saliktas jau Andu kalnos, 3000m augstumā, kur atrodas ALMA Operāciju atbalsta centrs (OSF)

Katra antena, kopā salikta, sver 100 tonnas un pēc tam, kad tās tika pārbaudītas un kalibrētas, tās sāka savu 28km garu ceļu līdz Čahnantora plato, lai nonāktu 5000m augstumā.

Uz Titānu pleciem

Antenas 5000m augstumā veda divi īpaši veidoti transporta līdzekļi – Otto un Lora. Tie ir identiski un veidoti tikai ALMA antenu vajadzībām, taču pateicoties savām tehnoloģiskajām iespējām, transporta līdzekļi ir ne mazāk iespaidīgi kā antenas – to garums ir 20m, platums 10m un augstums 6m. Katram no transporta līdzekļiem ir 28 riteņi un to svars sasniedz 130 tonnas. Lai tie darbotos, ir nepieciešama liela enerģija – katram no transportlīdzekļiem ir divi 700 zirgspēku dīzeļa dzinēji un divas 1500 litru degvielas bākas. Transporta līdzekļu maksimālais ātrums ir 20 km/h, bet vedot antenu tas nepārsniedz 12km/h.

Konstruējot Otto un Loru, inženieri sastapās ar virkni izaicinājumu. Bremzēšanas sistēma un īpašas drošības ierīces tika instalētas, lai pasargātu viegli ievainojamās antenas no iespējamiem bojājumiem. Transporta līdzekļa vadītāja vieta tika aprīkota tā, lai vajadzības gadījumā varētu lietot skābekļa balonu, kas nepieciešams darbam lielā augstumā.

Transporta līdzekļi turpinās savu darbu arī pēc tam, kad pilnīgi visas antenas tiks uzstādītas Čahnantora plato, jo antenas tiks regulāri pārbaudītas līdzīgi kā tas notiek ar transporta līdzekļiem ikgadējā tehniskajā apskatē. Viena pēc otras, antenas tiks atkal novestas uz 3000m augstumā esošo OSF tehnisko ēku, lai pēc apkopes atkal mērotu ceļu augšup un turpinātu novērot Visumu.

Jau 2011.gada septembrī ALMA sāka veikt pirmos novērojumus tikai ar 16 antenām, observatorijas atklāšanas brīdī veiksmīgi darbojās jau vairāk nekā 55, bet atlikušās 9 ieradīsies šī gada rudenī.

“Ir ļoti patīkami redzēt teleskopu augam, redzēt kā katra atsevišķa antena pirmo reizi sāk kustēties un saņem pirmos signālus no Visuma. Bet vissvarīgākais brīdis ir tad, kad kopā sāk darboties vairāki teleskopi un savā saskaņotajā darbībā spēj uztvert vāju signālu. Šis ir daudzu gadu un smaga darba rezultāts un tāpēc ALMA atklāšanas brīdis bija ļoti saviļņojošs” saka V.Vilds.

Viens darbs, daudzi autori

Šīs antenas ir kā mākslas darbs. Taču to autoru nav viegli atrast, zinot, ka tā tapšanā roku pielikuši simtiem cilvēku, sākot no zinātniekiem un beidzot ar  inženieriem. Šādam mākslas darbam ir  nepieciešama gudra kombinācija starp pārbaudītām tehnoloģijām un inovatīviem risinājumiem. Bet kā atrast pareizo līdzsvaru starp kaut kā jauna un labāka meklēšanu un pārbaudītām vērtībām? V.Vilds atklāj, ka ALMA  sevī apvieno gan vienu, gan otru: „Apmēram 40% šajās tehnoloģijās ir jaunu lietu un 60% pārbaudītu”.

Jaunās tehnoloģijas ietver jaunus antenu veidošanas materiālus, piemēram, oglekļa šķiedru, jaunas tehnoloģiskas nianses, lai uzlabotu teleskopa precizitāti, piemēram, augstas precizitātes metroloģiju, lai kontrolētu antenas kustīgumu un ļoti lielais superdators jeb korelators. Antenu uztvērēju tehnoloģija līdz šim jau ir lietota citos teleskopos, taču ALMAs vajadzībām tā tika padarīta vēl precīzāka un jutīgāka. Atrast pareizo līdzsvaru starp pārbaudīto un jauno, ir patiess izaicinājums.

“Šos lēmumus parasti ietekmē tas, cik daudz laika un naudas ir atvēlēts jaunu tehnoloģiju attīstībai, iespējām pārbaudīt, vai jaunās idejas ir tehnoloģiski iespējamas, un vai lēmums par jaunu tehnoloģiju izstādi ir pietiekoši pamatots,” saka V.Vilds.

Grūtības un pārsteigumi

ALMA ir visu laiku lielākais un dārgākais uz Zemes bāzētais astronomijas projekts, kas izmaksājis apmēram 1,3 miljardus ASV dolāru. Saskaņā ar R. Kurca teikto, visdārgākās ir antenas. Taču pat tik nopietnos projektos kā ALMA, kur viss ir aprēķināts ilgu laiku pirms sāk būvēt pirmās antenas, nav iespējams izvairīties no patīkamiem un arī nepatīkamiem pārsteigumiem. 

“Vispatīkamākais pārsteigums bija tas, ka mēs tikām galā ar visiem tehnoloģiskajiem izaicinājumiem, kas radās šī projekta laikā. Visnepatīkamākos pārsteigumus sagādāja, ja kaut kas izmaksāja vairāk, nekā sākotnēji plānots un vairāk, nekā tam bija paredzēti līdzekļi budžetā. Un šajā ziņā visvairāk pārsteigumu sagādāja teleskopa vietas infrastruktūras būvniecība”

Iemesls izmaksu pieaugumam bija vispārējs cenu kāpums Čīlē no brīža, kad sākām plānošanu līdz brīdim, kad notika būvniecība.  Sākotnēji paredzētais OSF būvniecības budžets bija apmēram 10 miljoni eiro, 3 gadus vēlāk, kad notika jau detalizēta tehniskā centra izstrāde, plānotās izmaksas sasniedza 12 miljonus eiro, taču vēlāk zemākā iepirkumu cena konkursos jau bija sasniegusi 33 miljonus eiro!

Tobrīd daudz kas tika ietaupīts uz dizaina un specifikāciju rēķina. Vienkāršojot būvniecību, šī objekta gala izmaksu tāme sasniedza 21 miljonu eiro. Būvuzņēmējs realizēja darbu iekļaujoties šajā summā, bet nezaudējot teleskopa vajadzībām būtiskās konstrukcijas. Līdz ar to objekta izmaksas divas reizes pārsniedza pirms septiņiem gadiem plānotās.

Kāpēc ieviest un investēt?

Kādēļ gan ieguldīt tik lielu naudu teleskopos un astronomijā? Ja uz zinātni un astronomiju raugās tikai kā uz jomām, kurās apmierināt savu zinātkāri, tad jautājums, vai tiešām šāda nauda tajā ir jāiegulda tieši tagad, būtu vietā! Ja uz zinātni un astronomiju paraugās kā uz jomām, kuras ne tikai dod daudzas darba vietas, bet arī piesaista investīcijas tehnoloģijām, kas tālāk tiek izmantotas dažādās sfērās, astronomija un zinātne kļūst par lielisku vietu, kur investēt nākotnei! Daudzas no mums ikdienā lietotām lietām, sākot no gaisa kondicioniera un izolācijas līdz mobilo telefonu kamerām, dienasgaismu ieraudzīja pateicoties kosmosa tehnoloģijām. Tāpat arī ALMA dos ieguldījumu mums visiem. R.Kurcs paredz, ka ALMA tehnoloģijas visvairāk tiks pielietotas  telekomunikāciju un radio astronomijas jomā, turklāt, nav šaubu, ka visa nauda, kas investēta ALMA projektā, atgriežas atpakaļ pasaules ekonomikā.

“Tas ir jautājums par naudas pārdali. Sadarbības partneru valstis ir ieinteresētas, lai viņu dotā nauda, atgriežas pašu valsts ekonomikā. Lai arī neviens no ALMA projekta dalībniekiem neuzstāj, ka visam ieguldījumam jāatgriežas konkrētās valsts kasē, nešaubīgi nauda, kas ieguldīta konkrētās tehnoloģijās, ar laiku atgriežas atpakaļ. Taču tā kā tas nenotiek tiešā veidā, tad iegūtā labuma daudzumu ir grūti precīzi izmērīt.”

Parasti gan skaitļi liecina, ka katrs zinātnē investētais dolārs, atkarībā no jomas,  ekonomikai atnes atpakaļ 2-100 dolārus. 2008.gadā,  astronomu, akadēmiķu un industrijas pārstāvju apvienība - Kanādas Astronomijas koalīcija (Coalition for Canadian Astronomy) rakstīja: “Iepriekšējo gadu ekonomiskie pētījumi (saskaņā ar KPMG) parādīja, ka Kanādas ieguvums par katru astronomijā investēto dolāru ir attiecībā 2:1. Netiešais ieguvums ir daudz augstāks un izsakāms attiecībā 10:1, jo astronomijas projektu izstrādē iegūtās zināšanas noved pie jaunām iespējām uzņēmējiem jomās, kuras ar astronomiju nebūt nav saistītas.”

Tā vien liekas, ka bez altruistiskiem iemesliem, valdībām ir arī materiāla motivācija ieguldīt līdzekļus pētniecībā un astronomijā.

Miljons acu skatās vienā virzienā

Todien, stāvot blakus ALMAs antenām 5000m augstumā un skatoties tajā pašā virzienā, kur antenas, redzot sniegotās vulkānu virsotnes un Atakamas smiltis, es zināju, ka antenas spēj redzēt daudz tālāk - cauri putekļu mākoņiem līdz pat galaktikas centram. Tas bija ļoti iedvesmojoši -daļēji tāpēc, ka stāvēt blakus šiem milzīgajiem instrumentiem tik unikālā vietā ir reta izdevība, gan arī tāpēc, ka ir savādi apzināties, cik daudzi simti cilvēku ir strādājuši gadu no gada, lai šis brīdis kļūtu par realitāti – brīdis, kad desmitiem antenu spēj skatīties vienā virzienā un novērot Visumu kā vienots veselums. Tas ir kaut kas, kas šo brīdi padarīja īpašu. 

Es atceros sajūtu, kas pārņēma, jo likās, ka katrai antenai ir simtiem acu – to daudzo un nezināmo cilvēku acu, kuri ticēja šai pārsteidzošajai idejai jau tad, kad tā vēl bija dažu cilvēku sapnis. Likās, ka ar šo teleskopu, ko būvējušas tik daudzas valstis, planēta pēkšņi ir atvērusi acis debesīm, cenšoties saskatīt atbildes uz tiem pašiem mūžīgajiem jautājumiem par mūsu kosmisko izcelsmi.

Sandra Kropa

Latvijas Radio žurnāliste kopš 2004.gada,  populārzinātnisko raidījumu „Zināmais Nezināmajā” vadīt sāka  2005.gadā. Tajā viņa ir pievērsusies dažādām zinātnes jomām, tostarp astronomijai. . 2013. gadā viņa devās uz Čīli, lai būtu klāt ALMA Observatorijas atklāšanas brīdī.

Latvijas Radio žurnāliste Sandra Kropa 2013. gada 11. septembrī saņēma Eiropas žurnālistikas balvu astronomijā, kuru pasniedz par kvalitatīvu žurnālistikas darbu, aplūkojot astronomiju un ar to saistītās sfēras.

Sandra Kropa, www.skymania.com