Ett öga mot himlen

Fyrtio mil nordväst om MIT i skogen i Westford, Massachusetts, leder en knappt markerad sväng nedför en smal grusväg till en liten vit byggnad. Det är omärkligt från utsidan, med undantag för de två kupolerna som reser sig, som squat silos, nästan till höjden av de omgivande ekarna. Inuti varje kupol finns ett teleskop. När Wallace Astrophysical Observatorys mekaniska tak skalas tillbaka på klara kvällar, utövar MIT-astronomer vetenskapen om att studera natthimlen.

En kall, torr natt i början av februari hoppas två sådana observatörer på lycka. Det är långt över midnatt och isiga 3 °F, och Wallace platschef Timothy Brothers och Stephanie Sallum '12 vill vara de första astronomerna att fotografera Quaoar, ett tusen kilometer brett objekt en miljard kilometer förbi Pluto, när det passerar framför Pluto av en stjärna. Bröder och Sallum är inte säkra på att de kommer att kunna upptäcka Quaoar, som är uppkallad efter en indiansk skapelsegud. Enligt MIT-forskarnas beräkningar borde den blockera stjärnan klockan 05:03 över Atlanten. Dessa två satsar på att ett teleskop i östra Massachusetts kommer att vara tillräckligt nära för att fånga det.

Wallace Observatory öppnade sina dörrar för 40 år sedan i höstas, och en titt på dess historia – och genom dess loggbok, som går tillbaka till 1971 – avslöjar hur vetenskapen om observation har utvecklats med teknologin. 1971 gjorde Wallaces datorkontroller det banbrytande; idag är observatoriets utrustning relativt blygsam jämfört med de enorma teleskop som tränas på himlen i modernare anläggningar. Men MIT:s observatorium har vuxit med tiden och tagit framsteg inom undervisning och forskning. När den fyller 40 verkar Wallace redo att behålla en speciell plats på MIT mycket längre än dess skapare föreställt sig.

Lågt dis, tjocka moln över hela södra himlen. Jag lärde mig att spela patiens. Amanda har precis vaknat.

—Wallace loggbok, 16 juli 1989, 01:00

Anläggningen ser ut som en perfekt gömställe för att observera planeter och stjärnor. Byggnadens kompakta enplanshus rymmer ett datarum, ett pentry, ett övergivet mörkrum och en verkstad för att fixa teleskop. En skylt på dörren till ett litet rum med våningssängar lyder: TYST SNÄLLA, ASTRONOMER SOMAR. Himmelska föremål rör sig inte enligt mänskliga scheman; när det finns en viktig astronomisk händelse att observera, dikterar dess timing arbetstimmar. Om en händelse är planerad att hända klockan tre eller fem på morgonen, kan det vara bättre att komma ut här och sova några timmar innan, förklarar Brothers.

Klockan 02.00 den 11 februari är han och Sallum vakna och förbereder sig för deras Quaoar-observation. De tar fram snacks – kanelrussinbröd och Nutella – och rullar tillbaka taket för att testa kamerorna som är anslutna till deras teleskop. Sådana kameror kan ta tusentals bilder under en enda natt för att spåra vad som händer i kosmos.

Brothers är uppflugen i kupolen som inrymmer anläggningens 16-tums teleskop - ett kallt silverinstrument som dvärgar betraktaren. Uppför en spiraltrappa från huvudkontoret och genom en falldörr sitter det större 24-tums teleskopet, som främst används för avancerad forskning; den är ur drift ikväll för en uppgradering av kontrollsystemet. Tummåtten hänvisar till diametern på varje teleskops huvudspegel. Ju större spegeln är, desto mer ljus kan ett teleskop samla in, vilket ger en tydligare bild av himlen.

Ockultationer, som inträffar när ett himlaobjekt som Quaoar passerar framför en ljus stjärna, är ett vanligt fokus för Wallace-forskare. (De letar också ofta efter exoplaneter, eller planeter utanför vårt solsystem, när de passerar stjärnor.) Du kan inte tydligt avbilda dessa objekt från jorden – de är för små och för långt, säger Carlos Zuluaga, en forskarassistent i Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) som arbetar nära Wallace Observatory. Men genom att observera hur de blockerar stjärnans ljus kan forskare samla information om objekten, av vilka många är avlägsna rester från solsystemets bildning. Att kartlägga hur länge ett förbipasserande objekt som Quaoar verkar släcka en stjärna kan hjälpa forskare att beräkna objektets storlek.

Denna observationsmetod är ett kraftfullt verktyg inom astronomi, säger Zuluaga: Vi känner till Plutos storlek ner till några kilometer, tack vare ockultationer. Det är också möjligt att lära sig om ett planetobjekts andra egenskaper - till exempel om det har en atmosfär. Om en stjärnas ljus sjunker kraftigt när ett föremål passerar framför den, förutspår astronomer att föremålet inte har någon atmosfär. Men om stjärnans ljusstyrka avtar mer gradvis kan en atmosfär bryta ljuset.

Det som finns där ute är ganska oförändrat, bevarat från början av solsystemet, säger Zuluaga. Det betyder att det kan ge ledtrådar om jordens ursprung.

Från sitt kontor i Green Building på campus använder Zuluaga exakt matematik för att förutsäga när ockultationer kommer att ske, och verifierar noggrant en stjärnas position i förhållande till ett objekts bana. Med programvara skriven av MIT-astronomer justerar och förfinar han den troliga positionen för en given stjärna, med hjälp av koordinaterna för andra runt den som referens. Du använder stjärnor vars positioner är bättre kända än den vi följer, förklarar han.

Den andra delen av Zuluagas jobb är att hitta den perfekta platsen för en astronom att observera en ockultation. Ofta kan en händelse bara vara synlig från till exempel Nya Zeeland eller Mexiko. I dessa fall kan MIT skicka en liten grupp observatörer för att använda en annan institutions teleskop. I år skickade MIT en grupp Wallace-astronomer till Alaska för första gången: Varuna, ett objekt i Kuiperbältet av frusna planetkroppar i utkanten av solsystemet, förväntades blockera en stjärna. På dessa expeditioner kulminerar allt arbete som gjorts för att förbereda resan, förfina förutsägelser och kalibrera redskap i ett avgörande halvtimmesfönster. Man får vänta på att den natten ska hända, säger Brothers. Huvuddelen av en astronoms tid går åt till att förbereda sig för att fånga ett enda ögonblick.

Wallace platschef Tim Brothers är på väg att träna observatoriets 16-tums teleskop på Pluto när Sarah Leu ’14 förbereder sig för att ta bilder med en 14-tums teleskopkamera. De arbetar i rött ljus så att deras ögon lätt anpassar sig till mörkret när de går ut för att övervaka himlens förhållanden eller för att titta genom teleskopets okular.

Behöver utveckla cloud mover.

—23 september 1997, 02:30

Under det korta fönstret är det avgörande att inget går fel. Men ofta händer saker: ett strömavbrott, ett tekniskt fel, dåligt väder. Astronomer måste alltid vara beredda på möjligheten att en observation inte kommer att resultera i några data alls.

Innan resan till Alaska tillbringade EAPS doktorand Amanda Zangari timmar med att testa MIT:s utrustning för att säkerställa att den skulle hålla i väder som gör att kablar fryser och går av på mitten. Hon köpte ett par på sex pund extremt kalla militärstövlar och gjorde diagram för att studera hur himlen skulle se ut från norr.

Efter en resa som kantades av ett inställt flyg och en incheckad väska med kamerautrustning som anlände sent, ville Zangaris hårddisk inte starta i kylan. Hon tog med den inuti för att värma upp, fick igång datorn och var äntligen redo att observera. Men tunga moln den natten gjorde Varuna osynlig. Zangari och hennes kollegor kom hem tomhänta. Det finns ett sting av skuld när det händer, säger hon, men hon är van vid det nu. Det enda du kan göra, säger hon, är att se till att allt var klart – att du befann dig i rätt del av himlen om stjärnorna hade varit tillgängliga.

Tillbaka på Wallace, under timmarna fram till Quaoars ockultation, märker bröder och Sallum ett problem med 16-tums teleskopet: det är så kallt att slutaren i kameran har frusit till. De torkar bort kondens och kopplar in uppvärmda kardborreband som kallas daggvärmare för att värma kameran. Ingenting fungerar.

Sallum, en EAPS-major, har aldrig sett en ockultation förut. Hon har kört ut från campus med två kompisar (ingenjörer som sedan dess somnat i våningssängen) och håller tummarna för att hon ska få se resultat.

Men utrustning är en bristvara. Det är samma vecka som Alaska-resan, och Brothers har skickat observatoriets mer avancerade kameror med teamet norrut. Slutarna på alla återstående höghastighetskameror är frysta. Med en timme kvar innan ockultationen måste de hitta ett annat alternativ – snabbt.

De enda andra kamerorna till hands är modeller av lägre kvalitet som vanligtvis används för inledande astronomiklasser. Utan tid att överföra en av dessa till det större teleskopet, måste de spela in ockultationen från ett av de små 14-tums teleskopen i observatoriets undervisningsbod. Det var ett nära samtal, säger Brothers. Vi tog bara en chans.

Mycket tunn dimma som syns från de suddiga stjärnbilderna ... Om metoden fungerar som jag tror att den ska, kommer en sökning efter ... amplitudvariabler bland BO [blå] superjättarna i klustret att göras.

— 1 september 1971, klockan 02.00.

Sedan det öppnades 1971 har Wallace Observatory koncentrerat sig på både forskning och undervisning. Vi är mycket beroende av studentarbete och tid för att få våra resultat, och samtidigt lär vi dem hur man gör forskningen, förklarar Michael Person '94, SM '01, PhD '06, observatoriets biträdande chef. Jim Elliot var länge en supporter till studenter som är involverade i forskning, säger Person om observatoriets vördade direktör James Elliot '65, SM '65, som ledde Wallace Observatory i mer än 30 år innan han dog i mars. Det första han ville att jag skulle göra när jag avslutade mitt doktorandarbete var att sätta upp ett stort sommarprogram och ha ett halvdussin studenter ute på Wallace varje klar natt.

Ett av Elliots stora bidrag var att skapa två observationsklasser vid MIT. En klass fokuserar på intensiv forskning, medan den andra lär ut grunderna för att sätta upp teleskop. Eleverna börjar med att rikta in sitt teleskop med Polstjärnan och ställer sedan in det så att det rör sig i linje med jordens rotation. De använder kameran som är fäst vid varje teleskop för att ta exponeringar av stjärnhoparna de ser.

En datorskärm låter observatörer kontrollera och spåra positionen för Wallaces 16-tums teleskop och se bilder av himmelska objekt när de fångas av teleskopets kamera. En karta över natthimlen visas i det övre vänstra hörnet; genom att klicka på en stjärna justeras robotteleskopet så att det pekar i den riktningen. Kontrollprogrammet för kamera och spektrograf finns uppe till höger. Längst ner på skärmen visar en bild tagen vid Wallace av M27, även känd som Hantelnebulosan (vänster), och Ringnebulosans spektrallinjer (höger), som hjälper forskare att fastställa dess kemiska sammansättning. Det är intressant för astronomer eftersom vår sol i slutändan kommer att utvecklas till ett liknande objekt, säger Brothers.

Idén att utbilda nästa generations astronomer drev det första förslaget till ett MIT-observatorium. Studenter hade börjat utveckla ett större intresse för astronomi på 1960-talet, när Apollo-programmet tog fart. Efter att Neil Armstrong och Buzz Aldrin, ScD '63, gick på månen sommaren 1969, steg inskrivningen på MIT-astronomikurser till 425 under läsåret 1969-'70, upp från bara 22 två år tidigare. Studenter fick låna tid på andra institutioners teleskop, vilket resulterade i långa väntelistor. MIT behövde en egen anläggning.

Vid den tiden var MIT-astronomer redan kända för sin forskning inom radioastronomi. Flera fakultetsmedlemmar hade gjort viktiga upptäckter genom att studera osynlig strålning. 1955 var fysikprofessor Bernard Burke '50, PhD '53, en del av ett team som hittade radioutsläpp från Jupiter; 1962 var hans kollega Bruno Rossi medupptäckt den första källan till himmelsröntgen. MIT-president Howard W. Johnson såg utmärkt potential för skolan att göra liknande framsteg inom optisk astronomi.

När idén om ett astrofysiskt observatorium väl fick stöd behövde själva observatoriet en plats. Men inte vilken mark som helst skulle duga. Det måste vara nära en större motorväg för enkel åtkomst, tillräckligt långt från stadens ljus för att ge en mörk natthimmel för observation, och helst tillräckligt långt in i landet för att undvika den karakteristiska Boston-dimman. Efter att ha avvisat potentiella platser i Boston Harbor, New Hampshire och Connecticut, valde planeringskommittén Westford, nära MIT:s radioobservatorium på Haystack Mountain.

George Rodney Wallace Jr. '13, bosatt i grannlandet Fitchburg, erbjöd sig att stå för mycket av byggkostnaden på nästan 400 000 dollar. Wallace, en president för pappersföretaget som hade utbildats i kemiteknik, samlade antika bilar – och råkade älska astronomi. Han var 82 år när George R. Wallace Jr. Astrophysical Observatory invigdes hösten 1971.

Sedan senast någon skrev här, upptäcktes Plutos atmosfär av ... Jim Elliot '65, och Sox har blåst en annan världsserie (det var '86).

—15 juli 1989 (efter tre års uppehåll i anmälningar)

Under Wallaces fyra decennier av verksamhet har forskare som utbildats där uppnått flera nyheter, inklusive den första exakt förutspådda och observerade ockultationen av ett Kuiperbältsobjekt (annat än Pluto).

Bröderna och Sallum siktar på en ny förstaplats med Quaoar-observationen. En halvtimme före ockultationen utvärderar de sitt teleskops vinkel och försöker matcha den del av himlen det fångar med koordinaterna Quaoar kommer att korsa. Det är, som Sallum kallar det, en pulshöjande upplevelse. De har problem med att identifiera fältet; Sallum letar fortfarande efter mönster som hon känner igen vid 4:45. När klockan visar 4:50—13 minuter kvar—tar de ett språng av tro. De inser att de bara måste börja.

När observatörer på Wallace väl placerar teleskopet och programmerar kameran kan de se strömmen av livebilder från en dator inomhus. Med frysande fingrar placerar Brothers och Sallum teleskopet och ansluter det till kameran, som de redan har programmerat att ta en exponering var 10:e sekund. Sedan skyndar de in för att titta.

Inuti är stämningen ganska spänd, enligt Sallum. Klockan 5:02 börjar de titta noga. Ockultationen förutspås ske klockan 5:03, men 60 sekunder tickar förbi utan aktivitet på skärmen. Kanske är teleskopet inte korrekt justerat trots allt. Bröder och Sallum håller ögonen på stjärnan, smuttar på varma drycker och ser efter tecken på att den håller på att blekna.

Klockan 5:04 försvinner stjärnan. Tio sekunder senare är det tillbaka, dunkelt och skuggigt. Sallum håller andan. Tio sekunder efter det lyser stjärnan igen.

Men Brothers och Sallum är inte redo att deklarera seger ännu. Vi var båda ganska exalterade, men efter att ha haft en så hemsk natt med utrustning ville vi inte hoppa över pistolen och tro att vi faktiskt hade sett det innan vi visste, kommer Sallum att berätta senare.

När de kör tillbaka till Boston vid soluppgången är Sallum hoppfull. Det kommer att ta några dagar att analysera stjärnans ljuskurvor och avgöra om hon och Brothers verkligen hade sett ockultationen. Det visade sig att deras instinkter hade rätt: Quaoar hade ockulterat en stjärna, och bröderna och Sallum hade fångat den på kamera.

ett st Quaoar ockultation någonsin!

—11 februari 2011

Forskare vid Wallace är särskilt stolta över att ha gjort en så viktig upptäckt från en relativt liten undervisningsanläggning. När allt kommer omkring har andra observatorier mycket mer imponerande instrument: speglarna på European Southern Observatorys Very Large Telescope (VLT) i Chile är ungefär 13 gånger så stora som de på Wallaces största teleskop.

Vi fick de första ockultationsdata för detta objekt på hemmaplan, säger Person och tillägger att forskarna presenterade sina resultat vid årets American Astronomical Society-möte. En av hyllningarna till Wallace är att vi kan göra seriös vetenskap med blygsamma medel och mindre utrustning.

Utrustningen på Wallace må vara blygsam med dagens standarder, men det är en anmärkningsvärd förbättring jämfört med vad anläggningen började med. 1971 ansågs datoriserade kontroller revolutionerande. Faktum är att datorn som styrde Wallaces 24-tums teleskop gjorde den 10 gånger så effektiv vid exakt spårning som manuellt styrda teleskop. Planeringskommittén skrev att tack vare denna teknik skulle observatoriet rankas bland de modernaste anläggningarna i sitt slag var som helst i världen.

Sedan dess har datorutrustningen blivit mycket mindre och mer pålitlig. I vintras konstruerade forskare vid Wallace nya robotkontroller för det stora teleskopet. Det nya systemet kommer att tillåta teleskopet att självkorrigera och spåra rörelsen av ett planetobjekt praktiskt taget oberoende. Det här kommer verkligen att ta oss in i det nuvarande århundradet, säger Brothers. Systemet tillåter även längre exponeringar, släpper in mer ljus och ger tydligare data.

Såg UFO

—2 december 1997, 20:45.

Trevlig t ry

—2 december 1997, 23:30.

Vissa saker har inte förändrats – som humorn och kamratskapet som kommer med att jobba mitt i natten. Och utövandet av astronomi fortsätter att vara föremål för slumpmässig tur. I maj omintetgjordes forskare som försökte upptäcka en Pluto-ockultation från Wallace av stormmoln. Men grupper i klarskidade Vermont och Maryland fick en bra titt.

Händelsen hände, ungefär där vi förutspådde, säger Brothers. Det är en triumf i sig, förklarar han: Det är mycket viktigt att vi vet att våra förutsägelser är korrekta.

Det är särskilt viktigt eftersom Brothers, Person och andra MIT-astronomer reser så långt som till Thailand och Australien på grund av sina förutsägelser – och tillgång till större teleskop för viktiga händelser beror också på deras noggrannhet. Flera grupper tävlar vanligtvis om samma teleskop i samma områden på samma nätter; det är viktigt att skicka in korrekta förslag för att ha en chans. Vi försöker hålla koll på händelserna. Det är en väldigt mördande verksamhet, säger Zuluaga halvt på skämt. Han tittar ett år i förväg för att avgöra vilka ockultationer som kommer att vara värda att bedriva. Det finns nästan lite allmän stolthet i att säkra ett bra teleskop för ett stort evenemang, säger han. Att ha ett eget observatorium i Westford visar sig vara en stor fördel för händelser som kan observeras från New England.

Wallace-observatoriet var ursprungligen tänkt att hålla i 50 år, men när det fyller 40 visar det inga tecken på att tiden nästan är slut. Vi har fått ny utrustning, fler kontrollsystem och vi börjar få ännu mer intresse för klasser, säger Brothers. Planen, säger Person, är att fortsätta expandera och växa förbi den livslängd som ursprungligen tänktes. Vi börjar inte någon 10-årig nedräkning till slutet, säger han. När teleskop renoveras, kameror förbättras och viktiga fynd fortsätter att komma, är Wallace fortfarande ledande inom astronomiforskning för studenter. Som Brothers uttrycker det tror jag att vi har en gömd pärla här ute.

Dölj