ASZTROFIZIKA AZ EZREDFORDULÓN

Szalay A. Sándor
ELTE Atomfizikai Tanszéke
Johns Hopkins University, Baltimore

Ha azt vesszük szemügyre, hogy várhatóan merre halad a modern asztrofizika, elkerülhetetlen, hogy ne vonjunk párhuzamot a részecskefizika fejlődésével a hetvenes években. A tömörség érdekében több állításom meglehetősen éles, fókuszált, egyszerűsített, a valóság mindig sokkal komplexebb, mint az egyszerű modellek.

Röviden szeretnék megemlíteni néhányat a mai asztrofizika fő kérdései közül, amelyek válaszra várnak. Ezek közül több már igen hosszú ideje foglalkoztatja a természettudományt, de most jó esély van rá, hogy ezek nagyrészét az évtized vége előtt többé-kevésbé megválaszoljuk. A teljesség igénye nélkül, néhány a főbb problémák közül a következő:

• Milyen gyorsan tágul az Univerzum? (Mennyi a Hubble-konstans?)
• Mennyi az Univerzumban levő sötét anyag? Milyen az Univerzum görbülete?
• Hogyan keletkeznek a galaxisok?
• Milyen az anyag fizikai állapota a galaxismagok körül?

A főbb fejlődési irányokat szét tudjuk bontani a berendezések fejlődésére, a kutatóállomány növekedésére és a tudományos célok fejlődésére. Minthogy asztrofizikában a megfigyelő helyhez kötött, nem tudjuk a Föld közvetlen környezetét elhagyni, eddig minden lényeges megismerés valamilyen formában a megfigyelő berendezések fejlődéséhez kapcsolódott. A mai világban a megfigyelések minden eddiginél gyorsabban - exponenciális ütemben - fejlődnek. Ez magában foglalja a távcső-technológia mennyiségi és minőségi változásait.

A legnagyobb távcső jelenleg a Hawaiiban épített Keck teleszkóp, amely 10 m átmérőjű, 37 szegmensből áll, amelyeket aktív komputer-vezérlés tart ideális alakon. Ez a távcső körülbelül 100 millió dollárba került, amelyből a California Institute of Technology 50 %-ban részesedik, a maradékon a University of California (40 %) és University of Hawaii (10 %) osztoznak. 1996-ban lesz kész az ikertestvére, a Keck II. A két távcső építéséhez összesen 140 millió dollárt adott a Keck Alapítvány. A másik óriási távcső, amely szintén még ebben az évtizedben elkészül, az ESO VLT (European Southern Observatory, Very Large Telescope) programja. Ez Chilében épül, és 8 méteres távcsövekből egy 4 elemű mátrixot alkot, amely effektív üvegfelületben a legnagyobb lesz a világon. Mindkét program nem csupán összeadja majd az üvegfelületet, hanem a távolabb telepített távcsövek között létrehozott interferencia segítségével nagyobb felbontást szeretnének elérni (a diffrakciós határértéket lehet így lényegesen megjavítani).

A távcsövek területén legalább akkora a minőségi változás is, mint a mennyiségi. Egyik példa ismét csak a Keck teleszkóp, ahol a tükrök aktív kontrollja nélkül nem lehetett volna elfogadható képminőséget elérni. Egy másik lényeges fejlődési front volt a légkörön kívüli csillagászat. Először főleg a nem-optikai hullámhosszakon (ultraibolya, röntgen) bocsátottak fel speciális műholdakat (IUE, EINSTEIN, ROSAT), de mintegy öt évvel ezelőtt készült el a Hubble Űrtávcső. Habár az első néhány évben a képminőség az optimálisnál rosszabb volt (egy konstrukciós hiba miatt), ezt sikerült korrigálni, és ma minden eddiginél nagyobb felbontással (a légköri diszperzió zavaró hatása nélkül) tudjuk a távoli objektumokat vizsgálni. A légköri diszperzió legnagyobb torzítása úgy jelentkezik, hogy néhány másodperces időskálán a távoli objektumok képe a távcső fókuszsíkjában ide-oda vándorol, másodrendben kvadrupól torzításokat szenved az atmoszférában lévő sűrűségingadozások következtében. Az adaptív optikai rendszerek a távcső és a detektor közé több elemből álló, kis mechanikai tehetetlenségű tükröt tesznek, és ezek megfelelő modulációjával kompenzálják a légkör fluktuációit, visszaállítják az eredeti képet. Ez meglehetősen komputer-intenzív feladat. Az eddigi kísérletek rendkívül bíztatóak.

Az érzékelők terén a legnagyobb áttörést a CCD-k hozták. Ezek kvantumhatásfoka (quantum efficiency) mintegy 80-90%, szemben a hagyományos fényképlemezek néhány százalékos hatásfokával. A jelenlegi legnagyobb CCD-k 2048 x 4096 pixelből (képpontból) állnak, és ezekből egyre nagyobb mozaikok épülnek. A jelenlegi legnagyobb CCD kamerát Hawaiiban építették (G. Lupino), ez 8192 x 8192 pixel. Ezzel egyetlen kép 128 Mbyte memóriát igényel. A CCD-k egyre jobb hatásfokúak az ultraibolyában is, ma már nem szokatlan az 50-60% sem. A CCD-k egy másik fontos aspektusa, hogy a mért jel a fényintenzitás lineáris függvénye, és ez digitálisan kiolvasható. Így a felvett képeket nagyon rövid időn belül redukálni lehet.

Minthogy az adatfeldolgozó elektronika és a komputerek egyre gyorsabbak, a tárolókapacitás egyre olcsóbb, egyre könnyebb nagy mennyiségű adatot gyűjteni, és azt elektronikus médiumon tárolni. Így jól látható, hogy a közeljövőben óriási archívumok jelennek meg, amelyek kapacitása könnyen elérheti a 10-100 TB-ot. Ez az adatlavina újabb problémákat hoz létre, mert ennyi adathoz könnyen, gyorsan hozzáférni mai technikákkal nem lehetséges. Mesterséges intelligenciával rendelkező adatbázisokra lesz szükség, hogy ezekben az archívumokban bármit is megtaláljunk. Ilyen adatbányászó (data-mining) technikák ma a számítástudományban is rendkívül aktív területet képeznek. Ezek a problémák természetesen nem csak a csillagászatban jelennek meg, ugyanúgy jelen vannak részecskefizikában (LHC), vagy biológiában (Humán Genóm Program).

A mennyiségi oldalon, ha csak a rendelkezésre álló üvegfelületet nézzük, óriási a változás. 1950-ben a 3 m átmerő fölötti távcsövek összes üvegfelülete a világon mintegy 27 m² volt. Ez 1970-re 60 m²-re, 1990-re 125 m²-re, 1995-re pedig 244 m²-re nőtt. Ha csak a ma építés alatti távcsöveket vesszük figyelembe, ez a teljes felület 2000-ben már 800 m² lesz. Ha az 1950 és 1995 közé eső szakaszt tekintjük, a növekedés 9-szeres, ez évi 9%-os növekedési ütem. Ha viszont a következő öt év projekcióját tekintjük, a növekedés 3,3-szeres, ami évi 27%-os exponenciális növekedésnek felel meg. Még az exponenciális növekedés üteme is rendkívül sokat gyorsult az utóbbi 5 évben.

A publikációk száma is rendkívül gyorsan növekszik, az Astrophysical Journal nemrég közölt ilyen statisztikákat. 1950-ben évente 900 oldal volt az újság mérete (1000 szavas oldalakat számolva). Ez 1994-re 27400-ra nőtt, ami mintegy 30-szoros növekedés 25 év alatt. Az évi növekedési ütem elég egyenletes, mintegy évi 8,8% [H.A. ABT: Ap. J. 455 (1995) 407]. Ez rendkívül hasonlít a távcső-felület növekedési üteméhez. Hasonló a tendencia az asztrofizikával aktívan foglalkozók létszámában.

A távcsövek összes üvegfelületének növekedése.

Ez az exponenciális növekedés nem folytatódhat nagyon sokáig. Várható, hogy a növekedés mind a kutatók számában, mind pedig a teljes üvegfelületben lényegesen lelassul. Szeretnem megkockáztatni azt az állítást, hogy a jelenlegi nagy távcsövek után, amelyeket már most építenek, nagyon kevés új "nagy" távcső épül majd, az ezredforduló után csak intenzív fejlődés várható. Ha párhuzamot próbálnánk vonni a mag/részecskefizika és a csillagászat között, a 2 m-es távcsövek körülbelül a Van de Graaf generátoroknak felelnek meg. A 3-4 m átmérőjű távcsövek (1950 körül) körülbelül a ciklotron megfelelői (költségekben is). A mai 8-10 m-es távcsövek a Fermilab, SLAC-hez mérhető programok, az ESO 4 x 8 m-es távcsöve leginkább a CERN LEP-hez hasonló, ugyanúgy nemzetközi összefogással épül.

Hogyan folytatható ez a párhuzam? Mint ahogyan az SSC példája is mutatja, egyre nehezebb teljesen új létesítményeket létrehozni, amelyek költségei a néhány milliárd dollár nagyságrendjében mozognak. A másik példa viszont a CERN LHC programja, amely végül is majdnem eléri az SSC nagyságrendjét, de sokkal inkább példája az intenzív fejlődésnek, amennyiben a már meglevő CERN infrastruktúrára épül.

Várhatóan csillagászatban is ez lesz a domináns irányzat: teljesen új távcsövek helyett a meglévők kapnak új detektorokat. Az asztrofizika szociológiája is lényegesen változni fog, sokkal közelebb kerül a részecskefizikáéhoz. Az eddigi egy-két szerzős programok és cikkek helyett megjelennek a célratörő kísérletek, amelyekben nagy kutatócsoportok egy jól definiált tudományos cél érdekében kooperálnak, például speciális detektorokat építenek. Így a száz szerzős cikkek rövidesen megjelennek majd az asztrofizikában is.

A csillagászatban egyre nagyobb szerepet kapnak a nem-optikai hullámhosszak. Az elmúlt két évtizedben egy sorozat mesterséges holdat bocsátottak fel, amelyek feltérképezték az égboltot röntgenben (HEAO, EINSTEIN, ROSAT, ASCA), ultraibolyában (IUE, HST), infravörösben (IRAS), mikrohullámokon (RELIKT, COBE). Ezeknek a megfigyeléseknek óriási a jelentősége, mert például a röntgen megfigyelésekből lehetett először következtetni az akreciós korongok létére, és ebből indirekt módon a fekete lyukak létezésére kísérleti bizonyítékot kapni. A COBE mérések a mikrohullámú háttér ingadozásait mérik az Univerzum egy sokkal korábbi korából, amikor még ki sem alakultak a galaxisok. Ezek a nem-optikai hullámhosszak jórészt csak a világűrből elérhetők, de például a közeli infravörös (J, H és K hullámsávok körülbelül 1-2,2 µm) még a Föld felszínéről, vagy magaslégköri ballonokról is elérhetőek.

Egyre több a szisztematikus katalogizáló tevékenység (survey). Minthogy a megismerés most szeretne túllépni azon, hogy az égitestek új osztályait fedezzük fel, szükség van egy rendszerezett, szisztematikus térképezésre. Ilyen volt például a ROSAT műhold egész eget lefedő "All Sky Survey" katalógusa, vagy pedig szintén az egész égre kiterjedő infravörös IRAS pontforrás-katalógus. Több hasonló földi program is elindult, ezek között fontos a Sloan Digitális Égbolt Fölmérés, a 2MASS és a DENISE. Ezek célja az, hogy több, távolabbi, halványabb objektumot katalogizáljanak, minél kevesebb szisztematikus hibával. A 2MASS és a DENISE programok a közeli infravörösben készítenek részletes térképet az egész égről. A közeli infravörös nagy előnye, hogy a Tejútrendszer síkjában lévő por, amely az optikai hullámsávokban jelentős abszorpciót okoz, sokkal átlátszóbb az infravörösben.

A Sloan Digitális Égbolt Fölmérés (SDSS) néhány egyetem (Chicago, Princeton, Johns Hopkins és Washington), valamint a Fermilab, Japán és a US Naval Observatory közös programja, amelyet főleg a Sloan Alapítvány finanszíroz. A program egy speciális 2,5 m-es távcsövet épít, amely 1996 végétől kezdve 5 év alatt feltérképezi az északi égboltot. Öt színben készít felvételeket a 100 millió legfényesebb égitestről, és ebből a legfényesebb 1 millió galaxisnak és 100 ezer kvazárnak a spektrumát (így távolságát is) megméri. Az ebből készülő katalógus (amely mintegy 40 TB adat redukciójából keletkezik) nyilvános lesz, várhatóan a következő néhány évtized alapvető csillagászati referenciájává válik.

Megjelennek teljesen új metodikák, mint például az optikai interferometria, az adaptív optika. Az analízis jó része (és persze a sok szimuláció) nagy sebességű szuperkomputereken zajlik, amelyek rövidesen elérik a TeraFlop sebességet. A gravitációs N-test szimulációk egyre részletesebb gáz-dinamikát tartalmaznak, a legnagyobb szimulációk elérik a 100 millió részecskét.

A fő szociológiai tendencia az, hogy a fizikán belül világszerte rendkívül megnőtt az asztrofizika súlya. Az amerikai fizika tanszékeken egyre több asztrofizikust vesznek fel. Másrészt az exponenciális növekedés nem folytatódhat minden határon túl, ez a következő öt évben várhatóan lelassul, majd stabilizálódik. A jelenlegi nagy programok (Gemini, DENISE, SDSS, VLT, HST, ROSAT, ASCA) egyre inkább nemzetközivé válnak. A mind bonyolultabb műszereket csak nagyobb szemezetek (például ESO) képesek megépíteni. A programokban egyre inkább speciális műszereket, távcsöveket építenek (2MASS, MACHO, SDSS), hasonlóan a nagy részecskefizikai kísérletekhez (például CDF).

Ez a tendencia, amelyben az asztrofizika egyre inkább nagy nemzetközi együttműködésekre épül, sokkal több lehetőséget nyújt arra, hogy részt vehessünk modern kísérletekben. Enélkül teljesen saját erőből kellene felépíteni egy nemzetközileg versenyképes berendezést. Erre nyilván nincsen lehetőségünk. Viszont rész-feladatokat vállalva nagy együttműködésekben (a CERN példáját követve), például adatfeldolgozásban, detektor-fejlesztésben, elméletben igenis rövid idő alatt világszínvonalú programok szerves részévé válhatunk.

Természetesen ehhez szükséges egy kritikus tömeg kialakítása és megőrzése. Ennek részeként szükséges, hogy létrejöjjön egy nemzetközi színvonalú (a posztgraduális szintig érő) asztrofizikai képzés. Ezen kívül szükség van, hogy egészséges egyensúly alakuljon ki a modern asztrofizika három fő területe között: ezek az elméleti asztrofizika, megfigyelési technikák és instrumentáció, valamint a légkörön túli megfigyelések területe. Mindhárom területnek jó hagyományai vannak hazánkban, de szükséges ezek mainál hatékonyabb kölcsönhatása. A folyamat már megindult. Jó esélyt látok arra, hogy az ezredfordulót követően hazánk a részecskefizikához hasonló szerepet tud vállalni a világ kutatásában asztrofizikában is.

Röviden összefoglalva az előadás lényeges pontjait (amelyek természetesen rendkívüli módon leegyszerűsített vetületei a sokkal bonyolultabb világnak):

• A következő húsz év lesz az asztrofizika aranykora.
• Tapogatózó felismerés helyett szisztematikus megismerés dominál.
• Térképezés helyett precíz fizikai mérések szükségesek.
• A fejlődés 5-10 évig még extenzív, aztán intenzívre vált.
• A kutatás egyre inkább nemzetközivé válik.

SIC ITUR AD ASTRA Február 14-én, Bay Zoltán radaros Hold-visszhang kísérletének 50. évfordulóján Gyula város, az ottani Bay Zoltán Gimnázium, az Eötvös Loránd Fizikai Társulattal, az MTESZ-szel, a Bay Zoltán Alapítvánnyal és a General Electric-Tungsrammal együttműködve a fenti címen rendezett emléknapot. Köszöntőt mondott Göncz Árpád, köztársasági elnök. Tőlünk sincs messzebb a Hold" volt Marx György emlékbeszédének címe. A tudományos ülésszakon Almár Iván, Berényi Dénes, Havass Miklós, Homola Szabolcs, Keszthelyi Lajos, Kroó Norbert, Mojzes Imre, Nagy Miklós, Pungor Ernő, Szmola Ernő, Toró Tibor tartott előadást. Megkoszorúzták Bay Zoltán szülőházának emléktábláját is.