Astronomer har publicerat de mest detaljerade bilderna som setts av galaxer bortom vår egen ännu, avslöjar deras inre funktioner i oöverträffad detalj.

Bilderna skapades från data som samlats in av Low Frequency Array (LOFAR), ett nätverk på mer än 70, 000 små antenner spridda över nio europeiska länder. Resultaten kommer från teamets år av arbete, ledd av Dr Leah Morabito vid Durham University. Teamet fick stöd i Storbritannien av Science and Technology Facilities Council (STFC).

Förutom att stödja vetenskaplig exploatering, STFC finansierar också Storbritanniens prenumeration på LOFAR inklusive uppgraderingskostnader och drift av dess LOFAR-station i Hampshire.

Avslöjar ett dolt universum av ljus i HD

Universum är full av elektromagnetisk strålning, varav synligt ljus utgör bara den minsta biten. Från kortvågiga gammastrålar och röntgenstrålar, till långvågiga mikrovågor och radiovågor, varje del av ljusspektrumet avslöjar något unikt om universum.

LOFAR-nätverket tar bilder på FM-radiofrekvenser som, till skillnad från kortare våglängdskällor som synligt ljus, blockeras inte av molnen av damm och gas som kan täcka astronomiska objekt.

Områden i rymden som verkar mörka för våra ögon, faktiskt brinner starkt i radiovågor. Detta gör att astronomer kan titta in i stjärnbildande regioner eller in i själva galaxernas hjärta.

De nya bilderna, möjliggjort på grund av samarbetets internationella karaktär, tänja på gränserna för vad vi vet om galaxer och supermassiva svarta hål. Ett specialnummer av den vetenskapliga tidskriften "Astronomy and Astrophysics" är tillägnad elva forskningsartiklar som beskriver dessa bilder och de vetenskapliga resultaten.

Bättre upplösning genom att arbeta tillsammans

Bilderna visar hur närliggande och avlägsna galaxer fungerar i en upplösning som är 20 gånger skarpare än typiska LOFAR-bilder. Detta möjliggjordes av det unika sättet som teamet använde sig av arrayen på.

De 70, 000+ LOFAR-antenner är spridda över Europa, med majoriteten i Nederländerna. I standarddrift, endast signalerna från antenner i Nederländerna kombineras, och skapar ett "virtuellt" teleskop med en samlings "lins" med en diameter på 120 km.

Genom att använda signalerna från alla europeiska antenner, teamet har ökat diametern på "linsen" till nästan 2, 000 km, vilket ger en tjugofaldig ökning av upplösningen.

Till skillnad från konventionella gruppantenner som kombinerar flera signaler i realtid för att producera bilder, LOFAR använder ett nytt koncept. Varvid, signalerna som samlas in av varje antenn digitaliseras, transporteras till centralprocessor, och sedan kombineras för att skapa en bild. Varje LOFAR-bild är resultatet av att kombinera signalerna från mer än 70, 000 antenner, vilket är det som gör deras extraordinära upplösning möjlig.

Förstå supermassiva svarta hål

Supermassiva svarta hål kan hittas som lurar i hjärtat av många galaxer. Många av dessa är "aktiva" svarta hål som slukar infallande materia och rapar den tillbaka ut i kosmos som kraftfulla strålar och utflöden av strålning. Dessa strålar är osynliga för blotta ögat, men de brinner starkt i radiovågor och det är dessa som de nya högupplösta bilderna har fokuserat på.

Dr. Neal Jackson vid University of Manchester, sa, "Dessa högupplösta bilder låter oss zooma in för att se vad som verkligen händer när supermassiva svarta hål skjuter upp radiojet, vilket inte var möjligt tidigare på frekvenser nära FM-radiobandet."

Teamets arbete ligger till grund för nio vetenskapliga studier som avslöjar ny information om den inre strukturen hos radiostrålar i en mängd olika galaxer.

En decennielång utmaning

Redan innan LOFAR startade sin verksamhet 2012, det europeiska teamet av astronomer började arbeta för att ta itu med den kolossala utmaningen att kombinera signalerna från mer än 70, 000 antenner placerade så mycket som 2, 000 km ifrån varandra. Resultatet, en offentligt tillgänglig databehandlingspipeline, som beskrivs i detalj i en av de vetenskapliga artiklarna, kommer att tillåta astronomer från hela världen att använda LOFAR för att göra högupplösta bilder relativt enkelt.

Dr. Leah Morabito från Durham University, sa, "Vårt mål är att detta gör det möjligt för forskarvärlden att använda hela det europeiska nätverket av LOFAR-teleskop för sin egen vetenskap, utan att behöva spendera år för att bli expert."

Superbilder kräver superdatorer

Den relativa enkla upplevelsen för slutanvändaren motsäger komplexiteten i den beräkningsutmaning som gör varje bild möjlig. Eftersom LOFAR inte bara "tar bilder" av natthimlen, den måste sy ihop data som samlats in med mer än 70, 000 antenner, vilket är en enorm beräkningsuppgift.

För att producera en enda bild, mer än 13 terabit rådata per sekund, motsvarande mer än 300 DVD-skivor, måste digitaliseras, transporteras till en central processor och kombineras sedan.

Frits Sweijen, Leiden University, sa, "För att bearbeta sådana enorma datavolymer måste vi använda superdatorer. Dessa tillåter oss att omvandla terabyte information från dessa antenner till bara några gigabyte vetenskapsklar data, på bara ett par dagar."