Nova era u istraživanju ekstremnog svemira: dovršena četiri teleskopa iznimne osjetljivosti u Španjolskoj

Dvjesto pedeset znanstvenika i predstavnika vodećih istraživačkih institucija iz cijeloga svijeta proslavilo je inauguraciju podniza velikih teleskopa (Large-Sized Telescope, LST) na lokaciji CTAO-Sjever, na opservatoriju Roque de los Muchachos na La Palmi u Španjolskoj. Dovršetak četiriju teleskopa značajna je prekretnica za svjetsku astrofizičku zajednicu i ključan korak prema punom znanstvenom radu opservatorija Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Svaki teleskop ima reflektor promjera 23 metra i opremljen je najsuvremenijim ultrabrzim kamerama. Projektirani za detekciju slabih bljeskova Čerenkovljeve svjetlosti koji nastaju kada gama-zrake vrlo visokih energija međudjeluju sa Zemljinom atmosferom. Teleskopi LST najosjetljiviji su instrumenti na svijetu za promatranje gama-zraka energija od približno 20 gigaelektronvolta (GeV) do nekoliko teraelektronvolta (TeV). Iznimna osjetljivost ključna je za detekciju udaljenih i tranzijentnih izvora gama-zračenja. Budući da se gama-zrake vrlo visokih energija što duže putuju kroz svemir jače apsorbiraju od gama zraka nižih energija, nizak energijski prag teleskopa LST omogućuje znanstvenicima da istražuju izvore na kozmološkim udaljenostima, zavire dublje u kozmičku prošlost te s većom statističkom točnošću prate vrlo kratke promjene dinamičnih izvora gama-zračenja.

Plodonosni pionir: LST-1

Prototip velikog teleskopa (LST-1) još od 2020. godine, čak i tijekom faze puštanja u rad, daje pionirske rezultate. Oni uključuju promatranja pulsara, proučavanje aktivnih galaktičkih jezgri na kozmološkim udaljenostima te brza prateća promatranja tranzijentnih pojava poput nova (termonuklearnih eksplozija na površini bijelih patuljaka) i provala gama-zračenja (eng. gamma-ray bursts, GRB). Pridruživanjem triju novih teleskopa (LST-2, LST-3 i LST-4) postojećem LST-1, četiri teleskopa postat će pravi niz. Promatrajući iste pljuskove izazvane gama-zrakama istodobno iz više smjerova, podniz će pružiti znatno bolju osjetljivost, kutnu razlučivost i rekonstrukciju energije, otvarajući novu razinu preciznosti u proučavanju svemira u gama-području. - Dovršetak podniza LST vrhunac je više od petnaest godina međunarodne suradnje i tehnoloških inovacij”. Ovi teleskopi omogućit će nam istraživanje nekih od najekstremnijih okruženja u svemiru, uključujući supermasivne crne rupe i neutronske zvijezde, kao i moguće podrijetlo kozmičkih zraka te prirodu tamne tvariizjavio je prof. Masahiro Teshima, glavni istraživač kolaboracije LST i glasnogovornik Konzorcija CTAO.

Pogled prema ranom svemiru

LST teleskopi čine niskoenergijsku jezgru CTAO-Sjever i omogućit će jedinstveno istraživanje svemira kakav je bio prije otprilike 12 milijardi godina, kada je njegova starost bila manja od dvije milijarde godina. Njihova osjetljivost na gama-zrake najnižih energija omogućit će detekciju i proučavanje sjajnih provala gama-zraka u području vrlo visokih energija (VHE) pri velikim crvenim pomacima. Time bi se opažanja gama-zračenja mogla proširiti na izvore s crvenim pomakom (z) do približno 4 odnosno na izvore čija je svjetlost koju danas opažamo krenula prema nama prije otprilike 12 milijardi godina — pružajući tako nove spoznaje o ranom svemiru.

Hrvatski doprinos

Da bi teleskopi LST ispunili svoje znanstvene ciljeve, njihova usmjerenost nakon kalibracije mora biti poznata s točnošću boljom od 14 lučnih sekundi. Enkoderi pogonskog sustava to sami ne mogu osigurati jer ne bilježe deformacije konstrukcije teleskopa uzrokovane gravitacijom, vjetrom i promjenama položaja teleskopa. U cilju unaprjeđenja preciznosti određivanja usmjerenosti teleskopa LST, istraživačka grupa Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje (FESB) Sveučilišta u Splitu, u suradnji sa Sveučilištem u Padovi osmislila je i razvila neovisan optički sustav za precizno mjerenje usmjerenosti teleskopa te naknadnu (offline) korekciju njezina odstupanja. Sustav se sastoji od dviju CMOS kamera postavljenih u središte reflektora teleskopa. Prva kamera, „Camera Displacement Monitor” (CDM), deset puta u sekundi mjeri položaj središta Čerenkovljeve kamere, udaljene 28 metara, s pomoću prstena od 12 referentnih LED-ica. Preciznost mjerenja bolja je od 5 lučnih sekundi, što odgovara pomaku od svega 0,7 mm - kojeg treba izmjeriti s udaljenosti od 28 metara.
CDM ima važnu ulogu i u određivanju modela deformacija (“bending model”) teleskopa LST-1 pri različitim azimutima i elevacijama. Zahvaljujući frekvenciji mjerenja od 10 Hz, može pratiti i brze pomake i oscilacije konstrukcije izazvane udarima vjetra ili naglim zakretanjem teleskopa tijekom brzog usmjeravanja nakon dojave o pojavi tranzijentnog izvora. Druga kamera, „StarGuider” (SG), snima zvjezdano polje oko smjera opažanja i omogućuje precizno preslikavanje nebeskih koordinata na piksele kamere. Kombinacijom mjerenja CDM-a i SG-a određuje se gdje se na nebu nalazi središte Čerenkovljeve kamere, a time i nebeske koordinate smjera iz kojeg dolaze gama-zrake rekonstruirane iz slika Čerenkovljevih pljuskova. Sustav CDM, razvijen u sklopu doktorskog rada dr. sc. Darka Zarića, uspješno radi na teleskopu LST-1 od 2018. godine. Na temelju tog iskustva splitska je grupa pod vodstvom prof. dr. sc. Nikole Godinovića, uz rad doktoranda Tonija Šarića, mag. phys., razvila novi, poboljšani sustav kamere SG, sa znatno širim vidnim poljem i većom razlučivošću. Oprema sustava za mjerenje usmjerenosti teleskopa LST-2, LST-3 i LST-4 već je nabavljena. Obrada slika potpuno je automatizirana i odvija se u stvarnom vremenu na poslužitelju teleskopa, a rezultati se pohranjuju u bazu podataka spremnu za analizu. Sve komponente sustava testirane su na FESB-u, na mjernom postavu koji reproducira geometriju Čerenkovljeve kamere, s pomoću precizne rotacijsko-translacijske platforme. Tim je mjerenjima potvrđeno da sustav pouzdano detektira zadane mehaničke pomake od 0,7 milimetara. Laboratorijska mjerenja pokazala su da CDM i SG određuju položaj središta Čerenkovljeve kamere s preciznošću boljom od 5 lučnih sekundi, a mjerenja na opservatoriju Zvjezdano selo Mosor potvrdila su istu razinu preciznosti pri preslikavanju nebeskih koordinata na piksele kamere SG.

Grupa je također testirala infracrveni referentni laser optičke osi teleskopa (Optical Axis Reference Laser, OARL), čija je usmjerenost u laboratorijskim mjerenjima ostala stabilna unutar 5 lučnih sekundi tijekom više od 16 sati. Korekcije usmjerenosti dobivene sustavom CDM–SG–OARL primjenjivat će se u analizi gama-podataka radi preciznije lokalizacije izvora i bolje kutne razlučivosti, a njihov će se učinak provjeriti na promatranjima Maglice Rakovice. U cilju optimizacije rasporeda i performansi niza teleskopa LST, te čitavog CTAO opservatorija koji uključuje i manje teleskope, važan doprinos bio je izračun brojnih Monte Carlo simulacija. Grupa s Fakulteta za fiziku Sveučilišta u Rijeci, zajedno s doktorandima doktorskog studija Fizika i u suradnji s kolegama s Odjela za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku, napravila je simulacije koristeći Superračunalo Bura Sveučilišta u Rijeci, softver konzorcija CTAO, te dijelom i softver koji su razvijali članovi grupe. Poseban naglasak je bio na simulacijama i karakterizaciji Zemljine atmosfere, ključnoj za pravilno razumijevanje gama-zračenja koje dolazi iz dalekog svemira. Rad grupe na karakterizaciji atmosfere se sad proširuje u smjeru primjena u fizici okoliša, te razumijevanju klimatskih promjena. U teorijskim studijama povezanim s predikcijom opažanja bljeskova gama zračenja sudjeluje prof. dr. sc. Željka Bošnjak s Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu. Teleskopom LST-1 do sada su već praćeni bljeskovi gama zračenja i očekuje se da će u skoroj budućnosti teleskopi omogućiti detekciju visokoenergetskih fotona te ograničenja na postojeće teorijske modele. Strategija opažanja ovim teleskopima predviđa i sinergiju sa postojećim opservatorijima i detektorima, uključujući one koji opažaju gravitacijske valove, neutrine te elektromagnetsko zračenje na većim valnim duljinama.

 

Hrvatska kao punopravna članica CTAO ERIC-a

Važan korak za hrvatsko sudjelovanje u projektu ostvaren je 26. lipnja 2025., kada je Hrvatska postala punopravna članica CTAO ERIC-a, europske istraživačke infrastrukture koja upravlja opservatorijem CTAO. Prof. dr. sc. Nikola Godinović s FESB-a u Splitu je koordinator hrvatskog sudjelovanja u CTAO ERIC-u. Punopravno članstvo posebno je važno za dugoročnu uključenost hrvatskih znanstvenika, inženjera i mladih istraživača. Ono hrvatskim institucijama omogućuje sudjelovanje u razvoju i radu jedne od najvažnijih svjetskih infrastruktura za gama-astronomiju nove generacije, pristup znanstvenim i tehnološkim aktivnostima CTAO-a te ravnopravno sudjelovanje u oblikovanju budućeg razvoja opservatorija. Prof. dr. sc. Željka Bošnjak s Fakulteta elektrotehnike i računarstva u Zagrebu predstavnica je Hrvatske u Upravnom odboru kolaboracije CTAO.

Hrvatski članovi međunarodne kolaboracije LST

Hrvatska je ušla u međunarodnu kolaboraciju LST 2015., u vrlo ranoj fazi razvoja eksperimenta, što je omogućilo naše ključne doprinose. Zastupljena je članovima iz triju hrvatskih institucija: Sveučilišta u Rijeci, Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku i FESB-a Sveučilišta u Splitu. Najbrojnija je grupa sa Sveučilišta u Rijeci, koju sačinjavaju: predstavnica Hrvatske u Upravnom odboru kolaboracije LST Dijana Dominis Prester, Tomislav Terzić, Marina Manganaro i Karlo Mrakovčić, a student Luka Meštrović s Fakulteta za fiziku Sveučilišta u Rijeci je ove godine obranio završni rad vezan uz tematiku LST-a. Odjel za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku predstavljaju Dario Hrupec, Jelena Strišković i Mario Pecimotika, dok su članovi s FESB-a Sveučilišta u Splitu Nikola Godinović i Toni Šarić. Uz nabrojane aktualne članove, tijekom 12 godina našeg sudjelovanja u LST-u više je naših znanstvenika sudjelovalo u radu i razvoju eksperimenta, a na tematici vezanoj uz LST je četvero doktoranada obranilo doktorske disertacije: Darko Zarić i Stefan Cikota na Sveučilištu u Zagrebu, te Mario Pecimotika i Jelena Strišković na Sveučilištu u Rijeci. Tijekom sljedećih godina teleskopi LST proći će fazu puštanja u rad i integracije u rad CTAO-a. Zajedno s ostalim teleskopima CTAO-a, planiranima za oba njegova niza, bavit će se temeljnim pitanjima astrofizike, fizike čestica i kozmologije, poput prirode tamne tvari, podrijetla kozmičkih zraka i fizike ekstremnih kozmičkih akceleratora.