Abstract
Radioastronomie začala v roce 1933, kdy inženýr Karl Jansky náhodou zjistil, že rádiové vlny nepocházejí jen z námi vytvořených vynálezů, ale také z přírodních věcí ve vesmíru. Od té doby astronomové staví stále lepší a lepší teleskopy, aby tyto kosmické rádiové vlny našli a dozvěděli se více o tom, odkud přicházejí a co nám mohou říci o vesmíru. Zatímco vědci se mohou hodně dozvědět z viditelného světla, které detekují běžnými dalekohledy, pomocí radioteleskopů mohou odhalit různé objekty a události – například černé díry, formující se hvězdy, planety v procesu zrodu, umírající hvězdy a další. Dalekohledy, které dokáží pozorovat různé druhy vln – od rádiových vln přes viditelné světelné vlny až po gama záření – poskytují dohromady ucelenější obraz vesmíru, než dokáže kterýkoli typ dalekohledu sám o sobě.
Když se podíváte na noční oblohu, vidíte jasná světla hvězd. Pokud žijete na tmavém místě daleko od měst, můžete jich vidět tisíce. Ale jednotlivé tečky, které vidíte, jsou všechny blízké hvězdy. Jen v naší galaxii, která se nazývá Mléčná dráha, existuje asi 100 miliard dalších hvězd. Za hranicemi Mléčné dráhy existuje podle astronomů asi 100 miliard dalších galaxií (každá s vlastními 100 miliardami hvězd). Téměř všechny tyto hvězdy jsou pro vaše oči neviditelné, protože nevidí slabé světlo vzdálených hvězd. Vašim očím unikají i další věci. Viditelné světlo, které vaše oči vidí, je jen malou částí toho, čemu astronomové říkají „elektromagnetické spektrum“, tedy celé škály různých světelných vln, které existují. Elektromagnetické spektrum zahrnuje také gama záření, rentgenové záření, ultrafialové záření, infračervené záření, mikrovlny a rádiové vlny. Protože lidské oči vidí pouze viditelné světlo, musíme sestrojit speciální teleskopy, abychom zachytili zbytek tohoto „spektra“ – a pak je přeměnit na obrázky a grafy, které můžeme vidět.
Co je to rádiová vlna?
Světlo se skládá z malých částic zvaných „fotony“. Fotony ve viditelném světle mají střední množství energie. Když mají fotony o něco více energie, stávají se ultrafialovým zářením, které nevidíš, ale může tě spálit. S větší energií se z fotonů stává rentgenové záření, které vámi projde. Pokud mají fotony ještě více energie, stávají se z nich paprsky gama, které vycházejí z hvězd při jejich výbuchu.
Když však mají fotony o něco méně energie než fotony viditelného světla, říká se jim infračervené záření. Můžete je cítit jako teplo. A konečně fotonům s nejmenší energií říkáme „rádiové vlny“. Rádiové vlny přicházejí z podivných míst ve vesmíru – z nejchladnějších a nejstarších míst a z hvězd, kde je na malém prostoru nacpáno nejvíce materiálu. Rádiové vlny nám vyprávějí o částech vesmíru, o kterých bychom ani nevěděli, že existují, kdybychom používali pouze oči nebo dalekohledy, které vidí viditelné fotony.
Vlnová délka a frekvence
Rádioví astronomové používají tyto rádiové fotony k poznávání neviditelného vesmíru. Fotony se pohybují ve vlnách, jako když jedou na horské dráze, která používá jen dva stejné kousky dráhy stále dokola . Velikost vlny fotonu – jeho vlnová délka – vypovídá o jeho energii. Obrázek 1 ukazuje vlny o dvou různých vlnových délkách. Pokud je vlna dlouhá, nemá velkou energii; pokud je krátká, má velkou energii. Rádiové vlny nemají mnoho energie, a to znamená, že se šíří ve velkých vlnách s dlouhou vlnovou délkou. Rádiové vlny mohou mít stovky metrů nebo jen několik centimetrů.
- Obrázek 1 – Fotony se pohybují ve vlnách. Délka každé vlny se nazývá vlnová délka.
Astronomové také hovoří o tom, kolik těchto vln projde daným místem každou sekundu – o „frekvenci“ rádiové vlny. Frekvenci si můžete představit tak, že si představíte rybník s vodou. Když do vody hodíte kámen, rybníkem se rozletí vlny. Pokud stojíte ve vodě, vlny vás zasáhnou do kotníků. Počet vln, které do vás narazí během jedné sekundy, udává frekvenci vln. Jedna vlna za sekundu se nazývá 1 Hertz. Milion vln za sekundu je 1 MHz. Pokud jsou vlny dlouhé, narazí do vás každou sekundu méně vln, takže dlouhé vlny mají menší frekvenci. Rádiové vlny mají dlouhé vlny a malé frekvence.
Rádioví průkopníci
První radioastronom nechtěl být prvním radioastronomem. V roce 1933 pracoval muž jménem Karl Jansky na projektu pro Bellovy laboratoře, laboratoř v New Jersey pojmenovanou po Alexandru Grahamu Bellovi, který vynalezl telefon. Tamní inženýři vyvíjeli první telefonní systém, který fungoval přes Atlantický oceán. Když lidé poprvé zkoušeli telefonovat pomocí tohoto systému, slyšeli v určitých denních dobách v pozadí syčivý zvuk. V Bellových laboratořích si mysleli, že tento zvuk škodí obchodu, a proto vyslali Karla Janského, aby zjistil, co ho způsobuje. Brzy si všiml, že syčení začíná, když na obloze vychází střed naší galaxie, a končí, když zapadá (vše na obloze vychází a zapadá stejně jako Slunce a Měsíc). Přišel na to, že rádiové vlny přicházející ze středu galaxie narušují telefonní spojení a způsobují syčení. On – a telefon – detekoval rádiové vlny z vesmíru. Jansky otevřel nový, neviditelný vesmír. Obrázek antény, kterou Karl Jansky použil k detekci rádiových vln z vesmíru, vidíte na obrázku 2.
- Obrázek 2 – Zakladatel radioastronomie Karl Jansky stojí s anténou, kterou sestrojil a která detekovala první rádiové vlny identifikované jako přicházející z vesmíru. Zdroj: NRAO.
Inspirován Janksyho výzkumem postavil muž jménem Grote Reber na svém dvorku v Illinois radioteleskop. Teleskop o průměru 31 stop dokončil v roce 1937 a pomocí něj se podíval na celou oblohu a zjistil, odkud přicházejí rádiové vlny. Z údajů, které ze svého radioteleskopu shromáždil, pak vytvořil první mapu „rádiové oblohy“ .
Radio Telescope Talk
Viditelné světlo vidíte proto, že fotony viditelného světla se pohybují v malých vlnách a vaše oko je malé. Ale protože rádiové vlny jsou velké, vaše oko by muselo být velké, aby je zachytilo. Takže zatímco běžné dalekohledy mají průměr několik centimetrů nebo stop, radioteleskopy jsou mnohem větší. Teleskop Green Bank v Západní Virginii je široký více než 300 stop a je vidět na obrázku 3. Teleskop Arecibo v džungli v Portoriku má na šířku téměř 1 000 stop. Vypadají jako gigantické verze satelitních televizních antén, ale pracují jako běžné dalekohledy.
- Obrázek 3 – Přístroje jako Green Bank Telescope, který je na obrázku, sice nevypadají jako tradiční dalekohledy, ale pracují podobně, jen místo viditelného světla detekují rádiové vlny. Tyto rádiové vlny, které lidské oči nevidí, pak převádějí na obrázky a grafy, které mohou vědci interpretovat. Zdroj: NRAO.
Běžný teleskop se používá tak, že se namíří na objekt ve vesmíru. Světlo z tohoto objektu pak dopadá na zrcadlo nebo čočku, která toto světlo odrazí na jiné zrcadlo nebo čočku, které světlo opět odrazí a pošlou ho do vašeho oka nebo do fotoaparátu.
Když astronom namíří radioteleskop na něco ve vesmíru, na povrch teleskopu dopadají rádiové vlny z vesmíru. Povrch – který může být kovový s otvory, tzv. síťka, nebo pevný kov, jako je hliník – funguje jako zrcadlo pro rádiové vlny. Odráží je k druhému „rádiovému zrcadlu“, které je pak odráží do zařízení, které astronomové nazývají „přijímač“. Přijímač dělá to, co fotoaparát: přeměňuje rádiové vlny na obraz. Tento obrázek ukazuje, jak silné rádiové vlny jsou a odkud na obloze přicházejí.
Rádiové vidění
Když astronomové hledají rádiové vlny, vidí jiné objekty a události, než když hledají viditelné světlo. Místa, která se našim očím nebo běžným dalekohledům zdají tmavá, v rádiových vlnách jasně hoří. Například místa, kde vznikají hvězdy, jsou plná prachu. Tento prach blokuje přístup světla k nám, takže celá oblast vypadá jako černá skvrna. Když však astronomové na toto místo namíří radioteleskopy, vidí přímo skrz prach: vidí, jak se rodí hvězda.
Hvězdy se rodí v obřích oblacích plynu ve vesmíru. Nejprve se tento plyn shlukuje. Pak se k nim vlivem gravitace přitahuje další a další plyn. Chuchvalec se zvětšuje a zvětšuje a je stále žhavější a žhavější. Když je dostatečně velká a horká, začne rozbíjet atomy vodíku, nejmenší existující atomy. Když do sebe atomy vodíku narazí, vznikne helium, o něco větší atom. Pak se z tohoto shluku plynu stane oficiální hvězda. Radioteleskopy pořizují snímky těchto malých hvězd .
Radioteleskopy ukazují i tajemství nejbližší hvězdy. Světlo, které vidíme ze Slunce, pochází z blízkosti povrchu, který má teplotu asi 9000oC. Nad povrchem však teplota dosahuje 100 000oF. Radioteleskopy nám pomáhají dozvědět se více o těchto horkých částech, které vysílají rádiové vlny.
Radiové osobnosti mají i planety v naší sluneční soustavě. Radioteleskopy nám ukazují plyny, které víří kolem Uranu a Neptunu, a jejich pohyb. Severní a jižní pól Jupiteru svítí v rádiových vlnách. Pokud vyšleme rádiové vlny směrem k Merkuru a pak pomocí radioteleskopu zachytíme rádiové vlny, které se odrazí zpět, můžeme vytvořit mapu téměř stejně dobrou jako Google Earth .
Když se podívají mnohem dál, radioteleskopy nám ukazují některé z nejpodivnějších objektů ve vesmíru. Většina galaxií má ve svých středech supermasivní černé díry. Černé díry jsou objekty, které mají velké množství hmoty vtěsnané do malého prostoru. Tato hmotnost jim dodává takovou gravitaci, že jejich přitažlivosti neunikne nic, dokonce ani světlo. Tyto černé díry pohlcují hvězdy, plyn a vše, co se přiblíží příliš blízko. Když tyto nešťastné věci pocítí gravitaci černé díry, nejprve se stočí do spirály kolem černé díry. Jak se přibližuje, je stále rychlejší a rychlejší. Nad a pod černou dírou se tvoří obrovské proudy neboli sloupy elektromagnetického záření a hmoty, která se do černé díry nedostane (někdy jsou vyšší než celá galaxie). Radioteleskopy ukazují tyto jety v akci (obrázek 4).
- Obr. 4 – Galaxie, které mají ve svém středu supermasivní černou díru, mohou vystřelovat jety hmoty a záření, jako jsou ty, které vidíme zde, a které jsou vyšší, než je šířka celé galaxie. Zdroj: ČTK: NRAO.
Masivní objekty jako tyto černé díry deformují strukturu prostoru, tzv. časoprostor. Představte si, že postavíte bowlingovou kouli, která hodně váží, na trampolínu. Trampolína se prohne. Těžké věci v prostoru způsobují, že se časoprostor prohýbá stejně jako trampolína. Když rádiové vlny přicházející ze vzdálených galaxií projdou tímto prohnutím a dostanou se na Zemi, jejich tvar se chová stejně jako tvar lupy na Zemi: teleskopy pak vidí větší a jasnější obraz vzdálené galaxie.
Rádiové teleskopy také pomáhají vyřešit jednu z největších záhad ve vesmíru: Co je temná energie? Vesmír se každou vteřinou zvětšuje. A každou sekundu se zvětšuje stále rychleji, protože „temná energie“ je opakem gravitace: Místo aby vše přitahovala k sobě, naopak vše od sebe vzdaluje. Jak silná je ale temná energie? Radioteleskopy mohou vědcům pomoci odpovědět na tuto otázku sledováním „megamaserů“, které se přirozeně vyskytují v některých částech vesmíru. megamaser je něco jako laser na Zemi, ale místo červeného nebo zeleného světla, které vidíme, vysílá rádiové vlny. Vědci mohou pomocí megamaserů upřesnit detaily temné energie . Pokud vědci zjistí, jak daleko jsou tyto megamasery, mohou určit, jak daleko jsou různé galaxie, a pak mohou zjistit, jak rychle se od nás tyto galaxie vzdalují.
Plná sada nástrojů
Pokud bychom měli pouze teleskopy, které zachycují viditelné světlo, přišli bychom o velkou část dění ve vesmíru. Představte si, že by lékaři měli jako nástroj pouze stetoskop. Mohli by se dozvědět mnoho o srdečním tepu pacienta. Mohli by se však dozvědět mnohem více, kdyby měli také rentgenový přístroj, sonograf, přístroj pro magnetickou rezonanci a počítačovou tomografii. S těmito nástroji by mohli získat úplnější obraz o tom, co se děje uvnitř pacientova těla. Astronomové používají radioteleskopy spolu s ultrafialovými, infračervenými, optickými, rentgenovými a gama teleskopy ze stejného důvodu: aby získali úplný obraz o tom, co se děje ve vesmíru.
Slovník
Elektromagnetické spektrum: Viditelné světlo, které vidíme, je jen malou částí „elektromagnetického spektra“. Viditelné světlo je tvořeno fotony se střední energií. Fotony s větší energií jsou ultrafialové záření, rentgenové záření a gama záření (gama záření má největší energii). Fotony s menší energií jsou infračervené záření a rádiové vlny (rádiové vlny mají nejmenší energii).
Foton:
Vlnová délka: Světlo se skládá z částic zvaných fotony, které se pohybují ve vlnách:
Frekvence:
Hertz: 1 Hz znamená, že jedna vlna projde bodem za jednu sekundu. Jeden megahertz znamená, že každou sekundu projde kolem bodu jeden milion vln.
Přijímač:
Tmavá energie: Část radioteleskopu, která přijímá rádiové vlny a proměňuje je v obraz:
Megamaser: Temná energie působí jako opak gravitace a vzdaluje vše ve vesmíru od sebe.
Megamaser:
Jansky, K. G. 1993: Přírodní laser ve vesmíru, který vysílá rádiové vlny namísto červeného nebo zeleného světla, jaké vydává laserové ukazovátko. Rádiové vlny mimo sluneční soustavu. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Kosmická statika. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. Teorie vzniku hvězd. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetární radarová astronomie. Rev. Mod. Phys. 65, 1235-79. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235
Henkel, C., Braatz, J. A., Reid, M. J., Condon, J. J., Lo, K. Y., Impellizzeri, C. M. V., et al. 2012. Kosmologie a Hubbleova konstanta: o projektu megamaserové kosmologie (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
.