SCL - Super Computing Laboratory (Cluster Computer) = Superpočítačová laboratoř
DOC - ESA Missions Data and Operation Center = Datové a operační středisko misí ESA
LMS - Laboratory for Microwave Spectroscopy = Laboratoř molekulární spektroskopie
PCF - Plasma Chamber Facility = Plazmová komora
CR - Clean Room = Čistá místnost
ETF - Electromagnetic Tests Facility = Laboratoř elektromagnetického testování
XOF - X-ray Optics Facility = Laboratoř rentgenové optiky
VO - Virtual Observatory = Virtuální observatoř
RT - Robotic Telescope = Robotický dalekohled
ARC - ALMA Regional Center = Regionální centrum ALMA
RTC - ESA-ESO Regional Training Center = Středisko pro regionální trénink ESA-ESO
IDC - ESA-ESO Instrumentation Development Center = Středisko pro vývoj instrimentů ESA-ESO
ESO 1 – Stelární spektroskopie a interferometrie (optická, infračervená a mikrovlnná)
Vedoucí projektu: S. Štefl
Stelární spektroskopie představuje jeden ze základních směrů české astrofyziky. Po stránce pozorování se rozvíjela hlavně od roku 1967 díky užívání ondřejovského 2-m dalekohledu. Svými teoretickými základy je spojena především s modelováním hvězdných atmosfér a jejich spekter (např. programy TLUSTÝ a SYNSPEC) i s fyzikou Slunce. V obecných astrofyzikálních souvislostech představuje spektroskopie hvězd spolu s fyzikou hvězdných atmosfér a okolohvězdných disků klíč k pozorovacímu a teoretickému výzkumu vzdáleného vesmíru. V kombinaci s dalšími pozorovacími metodami (fotometrie, interferometrie atd.) umožňuje spektroskopie určit základní parametry hvězd (rozměry, hmotnosti, vzdálenosti, vývojová stadia atd.), které tvoří důležitou část vyšších útvarů (galaxií). Vytváření prvků ve hvězdách je základem chemického vývoje hmoty až k organickým formám.
Tradičním tématem české stelární astrofyziky je studium dvojhvězd, horkých hvězd s emisními obálkami (Be hvězd) a odnedávna též pulzujících hvězd. Astrofyzikové z AsÚ AV ČR vyvinuli některé speciální metody analýzy (např. fourierovské rozmotávání spekter, program KOREL), jejichž uplatněním na archivní i nová spektra pořízená nejmodernějšími přístroji ESO posunou hranice jejich možností k ještě slabším a vzdálenějším objektům a k získávání podrobnějších informací o jejich podstatě.
Hlavní aktivity v Centru E2S:
České členství v ESO otevírá nové možnosti jak ve zmíněných tradičních tak i v dalších dosud nerozvinutých oblastech. I na tradičním výzkumu jasných Be hvězd lze ukázat, že další podstatný pokrok potřebuje velmi složité a nákladné přístroje a úspěch v soutěži o pozorovací čas na těchto přístrojích může být výrazně zvýšen podporou poskytovanou astronomům v jejich zemi. Zatímco spektra z ondřejovského 2-m mohla poskytovat konkurence schopné výsledky v sedmdesátých a osmdesátých letech 20. stol., v devadesátých letech byly hlavní výsledky v tomto oboru získávány monitorováním v mnoha čárách pomocí echelle spektrografů a v posledním desetiletí díky interferometrickým a spektro-interferometrickým pozorováním (z nichž podstatná část byla provedena v ESO interferometrem AMBER). Tato pozorování byla propojena s “klasickou“ spektroskopií teoretickými modely. Hvězdná interferometrie, která vyžaduje přístup značně odlišný od klasických metod, ovšem nemá v České republice tradici a počet úspěšných žádostí (tj. přístup českých astronomů k ESO-VLTI) během prvních let členství v ESO byl velmi omezený. Podobné závěry platí i o infračervené spektroskopii pro níž je na observatoři ESO Paranal rovněž několik přístrojů. Příprava astronomů pro mezinárodní observatoře je pečlivě zabezpečena i v jiných zemích. Např. jedním z cílů obnovené soustavy sub-milimetrových radiových dalekohledů CARMA v Kalifornii je cvičit americké astronomy pracující v sub-mm astronomii, tj. připravovat je k blížící se soutěži o pozorovací čas na observatoři ALMA.
Jako příklad mimořádně rychle se rozvíjejícího oboru stelární astronomie, který dosud nemá ČR tradici, můžeme uvést výzkum extrasolárních planet, který je silně podporován rozpočtem ESO. Před desetiletím jsme znali jen několik hvězd s planetami o rozměrech srovnatelných s Jupiterem. Dnes jsou známy stovky exoplanet, z nichž některé mají hmotnosti podobné Zemi. Mnoho programů prováděných na observatoři ESO na Paranalu se již zaměřuje na určování fyzikálních parametrů exoplanet, složení jejich atmosfér a první analýzy podmínek k životu. Některé z přístrojů ESO/Paranal druhé generace (např. SPHERE) a ELT přístrojů (např. EPICS) jsou vyvíjeny pro výzkum exoplanet.
Obecně cílem stelárního programu ESO -1 je pomáhat české astronomické komunitě efektivně využívat členství v ESO a přístroje observatoří La Silla, Paranal a ALMA, upozorňovat je na obory vysoké priority definované v dokumentu “Vědecké výhledy pro evropskou astronomii“ (Astronet group, 2007) a na delší časové škále odpovídajícím způsobem přetvořit stelární astronomii v ČR. RTC a ARC pomůže k širší účasti v pozorovacích programech s VLTI, ALMA a v budoucnosti i E-ELT. Redukce a interpretace velkých souborů dat získaných v těchto observatořích budou založeny na metodách zářivé (magneto)hydrodynamiky a budou podporovány SCL, které umožní rozsáhlé paralelní numerické simulace.
ESO 2 – Optická a infra-červená spektroskopie galaxií
Vedoucí projektu: B. Jungwiert
Pochopení vzniku a vývoje galaxií, povahy temné hmoty a koevoluce galaxií se super-masivními černými děrami, díky nimž v jejich středech vznikají kvazary, patří k nejvýznamnějším vědeckým výzvám současnosti. V tomto kontextu navrhujeme vytvoření intenzivního výzkumného programu, který by významně přispěl k řešení výše uvedených otázek. Tento program bude založen na synergii optických a infračervených pozorování prováděných s pozemními a kosmickými dalekohledy 1. třídy, které provozuje ESO a ESA, a superpočítačových N-částicových/hydrodynamických simulací. Po observační stránce bude úsilí koncentrováno na prostorově rozlišenou (a především tzv. 3D) spektroskopii relativně blízkých galaxií: budeme analyzovat jejich hvězdnou a plynnou kinematiku, historii vzniku hvězd, velkorozměrovou chemickou strukturu, rozložení a fyzikální vlastnosti ionizovaného plynu a stopy po interakcích mezi aktivním galaktickým jádrem a mateřskou galaxií, jakož i mezi galaxiemi jako takovými. Zároveň bude prováděn rozsáhlý komplementární program N-částicových/hydrodynamických simulací s vysokým rozlišením a pokročilým modelováním baryonové fyziky, přičemž studovány budou jak izolované tak interagující galaxie.
Použití přístrojů ESO/ESA:
V první fázi (2010-2012) budou primárními observačními přístroji tzv. přístroje 1. generace na největším optickém dalekohledu ESO, tzv. Very Large Telescope (VLT) – především FORS2, ISAAC, VIMOS, SINFONI, FLAMES – a přístroje na palubě Hubbleova kosmického dalekohledu (HST) provozovaného společně NASA a ESA. Ve druhé fázi (počínaje rokem 2013) budou využívány především instrumenty 2. generace na VLT (MUSE, KFOS), které by měly být uvedeny do provozu v roce 2012, a přístroje na palubě nového kosmického dalekohledu NASA a ESA, tzv. James Webb Space Telescope (JWST, vypuštění se předpokládá v roce 2014). Jedním z významných aspektů navrženého programu je vytvoření vysoce kompetentního a konkurenceschopného prostředí pro efektivní přípravu a následné vědecké zužitkování observačních proposalů ESO a ESA vztahujících se ke galaktickému a extragalaktickému výzkumu, a tím přispění k účinnějšímu využití členství České republiky v těchto organizacích. V dlouhodobější perspektivě by to mělo mj. vést i ke schopnosti týmu být dobře připraven pro podávání a optimální vědecké využití observačních proposalů na budoucí Evropský extrémně velký dalekohled (E-ELT), který by podle předpokladů měl počínaje rokem 2018 přinést revoluci do galaktického a extragalaktického výzkumu.
ESO 3 – Mikrovlnná spektroskopie mezihvězdného prostředí
Vedoucí projektu: J. Palouš
Mikrovlnná spektroskopie s vysokým rozlišením a vysoká úroveň kvantově-mechanických interpretací jsou klíčem k jednoznačné interpretaci mikrovlnných spekter z různých astronomických zdrojů, jako jsou chladná temná mračna a difúzní mezihvězdné prostředí (ICM). Interpretace pozorovaných čárových spekter umožňuje pochopení základních procesů, díky nimž vznikají, a dává přesnou informaci o molekulárním složení, teplotách, hustotách a interní dynamice.
Hledání stále komplexnějších molekul ve vesmíru je jednou z rozhodujících vědeckých motivací pro interferometr ALMA. Milimetrová a sub-mm astronomie poskytne podrobné nástroje ke klíčovým otázkám astrochemie: jaký je životní cyklus hmoty v interstelárním a cirkumstelárním prostředí a jak to ovlivňuje vznik a zánik hvězd? S rostoucím spektrálním a prostorovým rozlišením interferometru ALMA může být odhalena chemie horkých jader a cirkumstelárních disků, kde dochází ke vzniku a destrukci komplexních molekul, jako jsou estery, cukry, kyseliny a alkoholy. Poměry izotopů mohou být použity k pochopení nejchladnějších míst ve vesmíru. Hledání vztahů mezi těmito různými druhy molekul pro pochopení chemického vývoje vesmíru a původu života je velkým úkolem a výzvou.
ESO 4 – Solární mikrovlnná spektroskopie
Vedoucí projektu: M. Karlický
S přihlédnutím k expertize AsÚ AV ČR a v souladu s deklarovanými vědeckými cíli ALMA bude výzkum prováděn především v oblastech uvedených níže. Podporu celé komunitě uživatelů ALMA budou poskytovat ARC a RTC. Hlavními vědeckými tématy jsou:
Struktura sluneční chromosféry a přechodové oblasti, sluneční super-granulární konvekce (společné výzkumy s pozemním teleskopem GREGOR – velké evropské zařízení s účastí AsÚ AV ČR), struktura a vznik solárních protuberancí a filamentů, netermální radiová emise slunečních erupcí. Problém netermální radiové emise slunečních erupcí má v astrofyzice všeobecný význam, neboť k takovým procesům podle předpokladů dochází např. i v aktivních galaktických jádrech. ALMA bude schopna pozorovat sluneční erupce s bezprecedentním prostorovým a časovým rozlišením a poskytne data, která jsou zásadní pro pochopení fundamentálního astrofyzikálního procesu urychlování elektronů až do relativistických energií. Pochopení takových procesů je rovněž důležité pro celou oblast astrofyziky vysokých energií.
ESO 5 – Asteroidy, NEO (blízkozemní objekty) a jejich interakce se zemskou atmosférou
Vedoucí projektu: P.Scheirich
a) Asteroidy, NEO
Aktivita je zaměřena na studium vlastností asteroidů v okolí Země a v jejich zdrojových oblastech a procesů, které je ovlivňují. Tento výzkum je prováděn technikou časově rozlišené fotometrie. V současnosti je rozšiřován v rámci počínající spolupráce s Universitou v Kodani, kde bude do tohoto výzkumu zapojen 1.54-m dánský teleskop umístěný na observatoři ESO La Silla. Projekt má bezpečnostní aspekt, neboť kromě základního výzkumu mohou být poznatky využity k vývoji budoucích technik odchýlení asteroidů potenciálně nebezpečných pro Zemi. Součástí projektu je plánovaná modernizace a automatizace použitého 1.54-m teleskopu, což skýtá příležitost pro české průmyslové firmy.
Studiem fyzikálních vlastností asteroidů fotometrickou technikou se na ASÚ AV ČR a ve spolupráci s Astronomickým ústavem MFF UK zabýváme od roku 1994. Z významných aspektů této problematiky lze jmenovat:
• binární (podvojné) asteroidální soustavy
• excitované rotátory mezi malými asteroidy
• monolitické asteroidy
• bezkohezní rotační bariéra, indikující převažující gravitační režim asteroidů o velikostech 0,2-10 km
• detekce tzv. YORP efektu
b) Bolidy
Stanice Evropské bolidové sítě pokrývají rozsáhlé území střední Evropy. Nad územím přesahujícím 1 mil. km2 zaznamenávají přelety jasných meteorů, z nichž některé jsou natolik jasné, že mohou být simultánně zachyceny satelity ESA z oběžné dráhy. Kombinace tohoto pozemního a kosmického experimentu by přispěla k novým vědeckým poznatkům o interakci větších a potenciálně i nebezpečných těles se Zemí.
Hlavní aktivity v rámci E2S:
Vývoj softwaru pro modelování fotometrických dat binárních asteroidů získaných za dlouhé období (několik let), určování jejich hlavních dráhových a tvarových charakteristik. Vývoj softwaru pro simultánní zpracování fotometrických a radarových dat.
ESO 6 – Mikrovlnná laboratoř spektroskopie molekul
Molekulární spektroskopie je jedinečným a nenahraditelným nástrojem pro základní výzkum jak hvězdných tak planetárních atmosfér a je zcela nepostradatelná pro studium mezihvězdného prostředí. Na prvním místě slouží k jednoznačné identifikaci molekulárních ingrediencí díky jejich jednoznačným spektrálním rysům. Kromě toho molekulární spektroskopie umožňuje odhadnout četné důležité vlastnosti těchto prostředí, jako jsou teplota, koncentrace, atd. Mezi metodami molekulární spektroskopie má mikrovlnná spektroskopie (centimetrové, milimetrové a sub-milimetrové vlny) rozhodující význam pro výzkum mezihvězdné hmoty.
Výsledky dálkových spektroskopických experimentů prováděných pomocí dalekohledů, balonů a družic neposkytují hledanou informaci o molekulárním složení, teplotě a koncentraci přímo. Extrakce takové informace vyžaduje rozlišená data o kvantových stavech (polohy čar, jejich intenzity a tvary) jednak z laboratorní spektroskopie, jednak z teoretických modelů. Až poté mohou vést výsledky dálkových spektroskopických experimentů k modelování vlastností uvedených vzdálených prostředí.
Například hyperjemné struktury v mimozemských spektrech mohou být použity k monitorování teplot mezihvězdných mračen za předpokladu, že tyto struktury byly s vysokou přesností proměřeny v laboratoři nebo teoreticky předpovězeny. Proto se v navrženém projektu ARC Laboratoř mikrovlnné spektroskopie s vysokým rozlišením soustředí na experimentální studium rotačních hyperjemných spekter možných mezihvězdných molekulárních druhů (jak stabilních tak přechodných). Zvláštní pozornost bude věnována molekulám s otevřenou slupkou (volné molekulové radikály), stejně jako ,,těžkým” molekulám plynu, které dosud nebyly studovány. Identifikace neznámých spektrálních čar a detailní analýza vyžadují komplexní teoretické zpracování zahrnující elektronovou magnetickou spin-orbitální interakci, elektrickou kvadrupólovou a magnetickou nukleární (spin-rotace a spin-spin) hyperjemnou interakci, grupové teoretické analýzy, stejně jako pokročilé kvantově-chemické výpočty. Teoretické analýzy spekter s vysokým rozlišením mají v České republice dlouhou tradici. Skupina molekulární spektroskopie na VŠCHT přenese svou expertizu do Centra E2S. Tato skupina je také dobře známým centrem teoretické spektroskopie. Dnes je klíčovým instrumentem laboratoře naší skupiny mikrovlnný systém s vysokým rozlišením spojitě pokrývající spektrální oblast mezi 10 a 300 GHz. Očekává se, že spektra z přístroje ALMA budou zahrnovat řadu dosud neidentifikovaných čar patřících jak stabilním (,,těžké” molekuly plynu, excitované stavy, slabé čáry, nerozlišené čáry) tak nestabilním (molekulové radikály) molekulám. Data získaná z těchto laboratorních experimentů jsou tedy značně potřebná pro projekt ESO-ALMA. Existuje mnoho druhů molekul, jejichž mikrovlnná molekulární spektra nebyla dosud proměřena, jako je tomu např. u fragmentů molekul, radikálů, iontů a jiných přechodných molekul. Naše skupina má zkušenosti se studiem neznámých radikálů, s prvním získáním jejich spekter a molekulárních konstant. Čáry přechodů neznámých molekulárních druhů mohou představovat část neidentifikovaných čar ve spektrech mezihvězdných molekulárních mračen pořízených pomocí ALMy. Významnou částí navrženého projektu je vývoj dvou jedinečných prototypů spektrometrů s vysokým rozlišením. První z nich je absorpční spektrometr vyvinutý pro oblast 50-590 GHz, tak aby pokryl celý spektrální interval ALMy; bude založen na polovodičové technologii Gun-Schottky diod. Druhý navržený instrument je jedinečný mikrovlnný spektrometr využívající Fourierovu transformaci pro nízkofrekvenční oblast okolo 30 GHz a je koncipován tak, aby umožnil analýzu těžších molekulárních systémů. Emisní FT spektrometr s Fabry-Perotovým rezonátorem bude zahrnovat nadzvukový jet pro adiabatické ochlazování molekul, což zjednoduší přiřazení přechodů komplexních molekul. Bude vyvinut laserový systém pro laserovou ablaci těžkých molekul a jejich přechod do fáze páry.
Vysoká škola chemicko-technologická (VŠCHT) je největší chemickou univerzitou v České republice orientovanou na všechny oblasti chemie a s rozsáhlým laboratorním a technologickým zázemím. Laboratoř molekulární spektroskopie s vysokým rozlišením poskytuje vynikající experimentální zařízení pro mikrovlnnou spektroskopii, jakož i teoretické zkušenosti v kvantové mechanice molekul.
ESO 7 – Virtuální observatoř
Vedoucí projektu: P. Škoda
Současná astronomie je konfrontována s enormním množstvím dat, která neustále proudí z velkých dalekohledů, vesmírných misí a superpočítačových simulací a která mohou být ztěží analyzována (a dokonce i předběžně zobrazena) tradičními vědeckými metodami. Proto se v nedávné době zrodil koncept (astronomické) Virtuální observatoře (VO), jehož cílem je federalizace všech astronomických zdrojů (tj. katalogů, archivů dat, simulačních databází, nástrojů pro zpracování a analýzu dat) za použití globální infrastruktury založené na jednotném datovém formátu a soustavě rigidních, byť rozšiřitelných komunikačních protokolů.
Vývoj a implementace těchto globálních standardů je úlohou Aliance mezinárodní virtuální observatoře (International Virtual Observatory Alliance, IVOA), která v současné době sdružuje šestnáct národních a trans-národních projektů, včetně Virtuální observatoře ESO a ESA, spojených v EURO-VO iniciativu.
VO postupně získávala pozornost astronomické komunity (včetně Mezinárodní astronomické unie, IAU), stejně jako podporu grantových agentur a globálních multi-disciplinárních organizací (např. CODATA, výbor Mezinárodní rady pro vědu při OSN, podobný UNESCO) jakožto průkopník nového paradigmatu vědeckého výzkumu známého jako e-Science a založeného na potenciálu současných superpočítačových a databázových technologií.
Po technické stránce je VO souborem navzájem propojených datových archivů a softwarových nástrojů, které využívají internet k vytvoření prostředí virtuálního desktopu, na kterém může být prováděn astronomický výzkum uživatelsky přátelským způsobem, který astronomovi dovoluje, aby se soustředil na kladení vědeckých otázek místo toho, aby trávil většinu svého času vyhledáváním v heterogenních rozptýlených archivech a homogenizací dat udávaných v různých jednotkách a různorodých formátech souborů.
Technologie VO díky svému data-mining potenciálu a jednoduchým nástrojům multi-spektrální analýzy umožňuje pustit se do problémů, které nejsou řešitelné jinými prostředky, jako je třeba hledání velmi vzácných astronomických událostí, kandidátů dosud neznámých tříd objektů (např. extrémně chladní hnědí trpaslíci, supermasivní hvězdy, atd.), statistiky řádově desítek milionů cílových objektů nebo pan-spektrální klasifikace založené na spektrálním rozložení energie záření od gama paprsků po radiový obor s využitím archivů všech vesmírných a pozemních pozorování dohromady.
Naše hlavní aktivity v rámci Centra E2S se soustředí na:
1. Vybudování provozuschopné VO infrastruktury pro české astronomické archivy dat získaných národními dalekohledy a jejich publikování v globálních VO registrech. To vyžaduje přípravu vysokorychlostní komunikační infrastruktury široko-pásmových sítí s nízkou latencí a péči o výkonné neporuchové databáze a webové servery.
2. Spolupráci s širokou vědeckou komunitou (a především IVOA) na vývoji nových VO standardů pro práci se spektry středního a vysokého rozlišení (především echelle a Fourier transform spektra).
3. Využití naší dlouholeté zkušenosti s optickou spektroskopií horkých hvězd pro vývoj nových nástrojů s VO rozhraním umožňujícím, aby komplexní analýza pozemních stelárních dat mohla být plně prováděna v prostředí VO, včetně specifických úkolů jako jsou dynamická spektra, analýza period a Fourierovské rozmotávání spekter.
4. Využití síly a efektivity VO infrastruktury k provádění extenzivních multi-spektrálních úkolů data-miningu, a to jak na obřích přehlídkách oblohy již dostupných ve VO, tak na našich lokálních souborech, s cílem prozkoumat naléhavé vědecké otázky, jež plynou z potřeb jiných pracovních skupin a projektů.
5. Přenos specifických požadavků jiných vědců (např. popis molekulárních struktur, infra-červených a radiových technik, interferometrie, problémů více-objektové spektroskopie v galaktickém výzkumu) do návrhů pro pracovní skupiny IVOA s cílem definovat nové VO standardy.
6. Vývoj a testování nových procedur a algoritmů data-miningu založených na pokročilých robustních statistikách, genetických algoritmech a umělých neuronových sítích, stejně jako analýza časových řad a výzkum deterministického chaosu.
Kromě čistě vědeckých cílů budeme šířit zkušenosti VO mezi studenty, včetně jejich účasti na VO výzkumu (a, doufejme, jejich přípravy na moderní astronomii blízké budoucnosti). Budou vypisovány diplomové a dizertační práce, které alespoň částečně využívají nástroje VO – obzvláště techniky data-miningu pro hledání vzácných objektů nebo multi-spektrální výzkum.
Již jsme podnikli první kroky k tomu, aby se Česká republika stala řádným členem IVOA (Česká virtuální observatoř - CZVO).
Použití přístrojů ESO/ESA:
Všechny klíčové instrumenty ESO a ESA již mají www archivy, které jsou převáděny na VO-kompatibilní archivy (např. ESO VLT UVES, FLAMES, GIRAFFE, ESA INTEGRAL, XMM, IUE). Budeme přirozeně spolupracovat se softwarovými developery ESO a ESA na zdokonalování schopností archivů, a to tím, že posuneme kupředu standardy IVOA pro hvězdný výzkum. Obzvláště ALMA je klíčovou výzvou pro přehodnocení současných formátů VO. E-ELT zcela jasně přinese potřebu efektivních, VO-kompatibilních archivů vědeckých dat, stejně jako Gaia, ačkoli současné úsilí se soustřeďuje na zpracování surových dat.
ESO 8 – Stelární pozorování s robotickými dalekohledy
Vedoucí projektu: J. Soldán
Počínaje 90. léty se robotické dalekohledy, tj. dalekohledy provádějící pozorování bez zásahu osob, stávají běžným nástrojem astrofyzikálního výzkumu, výukových programů a popularizace vědy.
Navrhujeme vybudování robotického dalekohledu v rámci Centra E2S. Program teleskopu bude věnován:
• pozemní podpoře pozorování satelitu Gaia (fotometrický monitoring vybraných objektů, výzkum a definice druhů fotometrické variability)
• trénink mladých astronomů (získání dovedností a znalostí, které usnadní přípravu žádostí o pozorovací čas na dalekohledech ESO)
• provozování on-line lekcí pro studenty vysokých škol v průběhu studia fyziky a astronomie. Tento druh aktivity dosud nebyl v České republice rozvinut.