Abstract
Radioastronomien begyndte i 1933, da en ingeniør ved navn Karl Jansky ved et tilfælde opdagede, at radiobølger ikke kun kommer fra opfindelser, som vi skaber, men også fra naturlige ting i rummet. Siden da har astronomer bygget bedre og bedre teleskoper for at finde disse kosmiske radiobølger og lære mere om, hvor de kommer fra, og hvad de kan fortælle os om universet. Mens forskerne kan lære meget af det synlige lys, som de registrerer med almindelige teleskoper, kan de registrere forskellige objekter og begivenheder – f.eks. sorte huller, stjerner under dannelse, planeter under fødsel, døende stjerner og meget mere – ved hjælp af radioteleskoper. Tilsammen giver teleskoper, der kan se forskellige typer af bølger – fra radiobølger til synlige lysbølger og gammastråler – et mere komplet billede af universet, end en enkelt type teleskop kan alene.
Når du kigger op på nattehimlen, ser du stjernernes klare lys. Hvis du bor på et mørkt sted langt fra byerne, kan du se tusindvis af dem. Men de enkelte prikker, du ser, er alle nærliggende stjerner. Omkring 100 milliarder flere stjerner, findes bare i vores galakse, som kaldes Mælkevejen. Ud over Mælkevejen mener astronomerne, at der findes omkring 100 milliarder flere galakser (hver med deres egne 100 milliarder stjerner). Næsten alle disse stjerner er usynlige for dine øjne, som ikke kan se det svage lys fra fjerntliggende stjerner. Dine øjne går også glip af andre ting. Det synlige lys, som dine øjne kan se, er kun en lille del af det, som astronomer kalder “det elektromagnetiske spektrum”, dvs. hele det område af forskellige lysbølger, der findes. Det elektromagnetiske spektrum omfatter også gammastråler, røntgenstråler, ultraviolet stråling, infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger. Fordi menneskets øjne kun kan se synligt lys, er vi nødt til at bygge særlige teleskoper for at opfange resten af “spektret” – og derefter omdanne dem til billeder og grafer, som vi kan se.
Hvad er en radiobølge?
Lys består af små partikler kaldet “fotoner”. Fotoner i synligt lys har en middelstor mængde energi. Når fotoner har lidt mere energi, bliver de til ultraviolet stråling, som du ikke kan se, men som kan give dig solskoldning. Med mere energi end det bliver fotoner til røntgenstråler, som går lige igennem dig. Hvis fotoner har endnu mere energi, bliver de til gammastråler, som kommer ud af stjerner, når de eksploderer.
Men når fotoner har lidt mindre energi end fotoner i synligt lys, kaldes de for infrarød stråling. Man kan mærke dem som varme. Endelig kalder vi de fotoner med den mindste energi for “radiobølger”. Radiobølger kommer fra mærkelige steder i rummet – de koldeste og ældste steder og de stjerner, hvor der er proppet mest materiale ind på et lille rum. Radiobølger fortæller os om dele af universet, som vi ikke engang ville vide eksisterede, hvis vi kun brugte vores øjne eller teleskoper, der ser synlige fotoner.
Bølgelængde og frekvens
Radioastronomer bruger disse radiofotoner til at lære noget om det usynlige univers. Fotoner rejser i bølger, som om de kører i en rutsjebane, der bare bruger de samme to stykker spor igen og igen . Størrelsen af en fotonbølge – dens bølgelængde – fortæller dig om dens energi. Figur 1 viser bølger med to forskellige bølgelængder. Hvis bølgen er lang, har den ikke meget energi, og hvis den er kort, har den meget energi. Radiobølger har ikke meget energi, og det betyder, at de bevæger sig i store bølger med lange bølgelængder. Radiobølger kan være flere hundrede meter på tværs eller kun få centimeter på tværs.
- Figur 1 – Fotoner bevæger sig i bølger. Længden af hver bølge kaldes en bølgelængde.
Astronomer taler også om, hvor mange af disse bølger der passerer et sted hvert sekund – radiobølgens “frekvens”. Du kan tænke på frekvens ved at forestille dig en dam med vand. Hvis du kaster en sten i vandet, bevæger der sig krusninger hen over dammen. Hvis du står i vandet, rammer bølgerne dine ankler. Antallet af bølger, der rammer dig i løbet af et sekund, fortæller dig bølgernes frekvens. En bølge pr. sekund kaldes 1 hertz. En million bølger pr. sekund er 1 MHz. Hvis bølgerne er lange, er der færre af dem, der rammer dig hvert sekund, så lange bølger har mindre frekvenser. Radiobølger har lange bølgelængder og små frekvenser.
Radio-pionerer
Den første radioastronom havde ikke til hensigt at være den første radioastronom. I 1933 arbejdede en mand ved navn Karl Jansky på et projekt for Bell Laboratories, et laboratorium i New Jersey, der er opkaldt efter Alexander Graham Bell, som opfandt telefonen. Ingeniørerne dér var ved at udvikle det første telefonsystem, der fungerede på tværs af Atlanterhavet. Da folk første gang prøvede at foretage telefonopkald på dette system, hørte de en hvæsende lyd i baggrunden på visse tidspunkter af dagen. Bell Labs mente, at denne støj var dårlig for forretningen, så de sendte Karl Jansky ud for at finde ud af, hvad der forårsagede den. Han bemærkede snart, at suset begyndte, når midten af vores galakse steg på himlen og sluttede, når den gik ned (alt på himlen stiger og går ned ligesom solen og månen). Han fandt ud af, at radiobølger, der kom fra galaksens centrum, forstyrrede telefonforbindelsen og forårsagede suset. Han – og telefonen – havde opdaget radiobølger fra rummet . Jansky åbnede op for et nyt, usynligt univers. Du kan se et billede af den antenne, som Karl Jansky brugte til at opdage radiobølger fra rummet, i figur 2.
- Figur 2 – Radioastronomiens grundlægger, Karl Jansky, står med den antenne, som han byggede, og som opdagede de første radiobølger, der blev identificeret som værende fra rummet. Kilde: Karl Jansky: NRAO.
Inspireret af Janksys forskning byggede en mand ved navn Grote Reber et radioteleskop i sin baghave i Illinois. Han færdiggjorde teleskopet, som var 31 fod bredt, i 1937 og brugte det til at se på hele himlen og se, hvor radiobølgerne kom fra. Ud fra de data, han indsamlede fra sit radioteleskop, lavede han derefter det første kort over “radiohimlen” .
Radio Telescope Talk
Du kan se synligt lys, fordi fotonerne i det synlige lys bevæger sig i små bølger, og dit øje er lille. Men fordi radiobølger er store, skal dit øje være stort for at kunne opfatte dem. Så mens almindelige teleskoper er et par tommer eller fødder på tværs, er radioteleskoper meget større. Green Bank-teleskopet i West Virginia er mere end 300 fod bredt og kan ses i figur 3. Arecibo-teleskopet i junglen i Puerto Rico er næsten 1.000 fod bredt. De ligner gigantiske udgaver af parabolantenner til satellit-tv, men de fungerer som almindelige teleskoper.
- Figur 3 – Instrumenter som Green Bank-teleskopet, der er afbilledet her, ligner måske ikke traditionelle teleskoper, men de fungerer stort set på samme måde, men registrerer radiobølger i stedet for synligt lys. De omdanner derefter disse radiobølger, som det menneskelige øje ikke kan se, til billeder og grafer, som forskerne kan fortolke. Kilde: NRAO.
For at bruge et almindeligt teleskop peger man det mod et objekt i rummet. Lyset fra dette objekt rammer så et spejl eller en linse, som sender lyset videre til et andet spejl eller en anden linse, som så sender lyset videre til dit øje eller et kamera.
Når en astronom retter et radioteleskop mod noget i rummet, rammer radiobølger fra rummet teleskopets overflade. Overfladen – som kan være metal med huller i, kaldet net, eller massivt metal, som aluminium – fungerer som et spejl for radiobølgerne. Den sender dem op til et andet “radiospejl”, som så sender dem ind i det, som astronomerne kalder en “modtager”. Modtageren gør det, som et kamera gør: den omdanner radiobølgerne til et billede. Dette billede viser, hvor stærke radiobølgerne er, og hvor de kommer fra på himlen.
Radiosyn
Når astronomer kigger efter radiobølger, ser de andre objekter og begivenheder, end de ser, når de kigger efter synligt lys. Steder, der virker mørke for vores øjne eller for almindelige teleskoper, brænder klart i radiobølger. Steder, hvor stjerner dannes, er f.eks. fulde af støv. Dette støv blokerer lyset fra at nå frem til os, så hele området ligner en sort klat. Men når astronomer retter radioteleskoper mod det pågældende sted, kan de se lige igennem støvet: de kan se en stjerne blive født.
Stjerner bliver født i gigantiske gasskyer i rummet. Først klumper denne gas sig sammen. Derefter tiltrækkes mere og mere gas til klumpen på grund af tyngdekraften. Klumpen vokser sig større og større og varmere og varmere. Når den er stor og varm nok, begynder den at smadre brintatomer, de mindste atomer, der findes, sammen. Når brintatomer støder ind i hinanden, danner de helium, som er et lidt større atom. Derefter bliver denne klump af gas til en officiel stjerne. Radioteleskoper tager billeder af disse babystjerner.
Radio-teleskoper viser også hemmelighederne bag den nærmeste stjerne. Det lys, vi ser fra Solen, kommer fra nær overfladen, som er omkring 9.000oF. Men over overfladen når temperaturen op på 100.000oF. Radioteleskoper hjælper os med at lære mere om disse varme dele, som sender radiobølger ud.
Planeterne i vores solsystem har også radiopersonligheder. Radioteleskoper viser os de gasser, der hvirvler rundt om Uranus og Neptun, og hvordan de bevæger sig rundt. Jupiters nord- og sydpoler lyser op i radiobølger. Hvis vi sender radiobølger mod Merkur og derefter fanger radiobølgerne, der preller tilbage ved hjælp af et radioteleskop, kan vi lave et kort, der er næsten lige så godt som Google Earth .
Når de ser meget længere væk, viser radioteleskoper os nogle af de mærkeligste objekter i universet. De fleste galakser har supermassive sorte huller i deres centrum. Sorte huller er objekter, der har en masse masse, som er presset sammen på et meget lille rum. Denne masse giver dem så stor tyngdekraft, at intet, ikke engang lys, kan undslippe deres tiltrækningskraft. Disse sorte huller sluger stjerner, gas og alt andet, der kommer for tæt på. Når de uheldige ting mærker det sorte hul’s tyngdekraft, spiralerer de først rundt om det sorte hul. Efterhånden som det kommer tættere på, går det hurtigere og hurtigere. Der dannes enorme stråler, eller søjler, af elektromagnetisk stråling og stof, der ikke når ind i det sorte hul (nogle gange højere end en hel galakse er bred), over og under det sorte hul. Radioteleskoper viser disse jets i aktion (figur 4).
- Figur 4 – Galakser, der har supermassive sorte huller i deres centrum, kan skyde jets af stof og stråling, som dem, der ses her, ud, der er højere end galaksen er bred. Kilde: Kilde:
Massive objekter som disse sorte huller forvrænger rummets struktur, kaldet rumtiden. Forestil dig at sætte en bowlingkugle, der vejer meget, på en trampolin. Trampolinen synker ned. Vægtfulde ting i rummet får rumtiden til at synke ligesom trampolinen. Når radiobølger, der kommer fra fjerne galakser, bevæger sig hen over dette svaj for at nå frem til Jorden, virker formen ligesom formen på et forstørrelsesglas på Jorden: Teleskoper ser så et større og lysere billede af den fjerne galakse.
Radio-teleskoper hjælper også med at løse et af de største mysterier i universet: Hvad er mørk energi? Universet bliver større for hvert sekund. Og det bliver større og større hurtigere og hurtigere for hvert sekund, fordi “mørk energi” er det modsatte af tyngdekraften: I stedet for at trække alting sammen, skubber den alting længere fra hinanden. Men hvor stærk er mørk energi? Radioteleskoper kan hjælpe forskerne med at besvare dette spørgsmål ved at se på “megamasere”, der forekommer naturligt i visse dele af rummet. En megamaser er lidt ligesom en laser på Jorden, men den sender radiobølger ud i stedet for det røde eller grønne lys, som vi kan se. Forskerne kan bruge megamasere til at finde frem til detaljerne i den mørke energi . Hvis forskerne kan finde ud af, hvor langt væk disse megamasere er, kan de fortælle, hvor langt væk forskellige galakser er, og så kan de finde ud af, hvor hurtigt disse galakser bevæger sig væk fra os.
En fuld værktøjskasse
Hvis vi kun havde teleskoper, der opfangede synligt lys, ville vi gå glip af meget af det, der foregår i universet. Forestil dig, hvis lægerne kun havde et stetoskop som værktøj. De kunne lære meget om patientens hjerterytme. Men de kunne lære så meget mere, hvis de også havde en røntgenmaskine, et sonogram, et MRT-instrument og en CT-skanner. Med disse redskaber kunne de få et mere fuldstændigt billede af, hvad der foregik i patientens krop. Astronomer bruger radioteleskoper sammen med ultraviolette, infrarøde, optiske, røntgen- og gammastråle-teleskoper af samme grund: for at få et fuldstændigt billede af, hvad der sker i universet.
Glossar
Elektromagnetisk spektrum: Det synlige lys, som vi kan se, er kun en lille del af det “elektromagnetiske spektrum”. Synligt lys består af fotoner med middelstor energi. Fotoner med mere energi er ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler (gammastråler har den største energi). Fotoner med mindre energi er infrarød stråling og radiobølger (radiobølger har den mindste energi).
Photon: Lys består af partikler kaldet fotoner, som bevæger sig i bølger.
Bølgelængde: Bølgelængde: Størrelsen af den bølge, som en foton bevæger sig i.
Frekvens: Bølge, som en foton bevæger sig i: Antallet af lysbølger, der passerer forbi et punkt på et sekund.
Hertz: 1 Hz betyder, at en bølge passerer forbi et punkt på et sekund. En megahertz betyder, at en million bølger passerer forbi hvert sekund.
Receiver: Den del af et radioteleskop, der tager radiobølgerne og omdanner dem til et billede.
Mørk energi: Den del af et radioteleskop, der tager radiobølgerne og omdanner dem til et billede.
Mørk energi: Mørk energi fungerer som det modsatte af tyngdekraften og skubber alt i universet længere fra hinanden.
Megamaser: En naturlig laser i rummet, der sender radiobølger ud i stedet for rødt eller grønt lys som det, der kommer fra en laserpointer.
Jansky, K. G. 1993: Jansky, K. G. 1993. Radiobølger fra uden for solsystemet. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Kosmisk statisk elektricitet. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., og Ostriker, E. 2007. Teori om stjernedannelse. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetarisk radarastronomi. 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. Kosmologi og Hubble-konstanten: om megamaser-kosmologiprojektet (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223