Abstract
Radiotähtitiede sai alkunsa vuonna 1933, kun insinööri nimeltä Karl Jansky sattumalta havaitsi, että radioaallot eivät ole peräisin vain luomistamme keksinnöistä vaan myös avaruuden luonnollisista aineksista. Siitä lähtien tähtitieteilijät ovat rakentaneet yhä parempia teleskooppeja löytääkseen näitä kosmisia radioaaltoja ja oppiakseen lisää siitä, mistä ne tulevat ja mitä ne voivat kertoa meille maailmankaikkeudesta. Vaikka tutkijat voivat oppia paljon näkyvästä valosta, jota he havaitsevat tavallisilla teleskoopeilla, he voivat havaita erilaisia kohteita ja tapahtumia – kuten mustia aukkoja, muodostuvia tähtiä, syntymässä olevia planeettoja, kuolevia tähtiä ja paljon muuta – radioteleskoopeilla. Yhdessä teleskoopit, jotka pystyvät havaitsemaan erilaisia aaltoja – radioaalloista näkyviin valoaaltoihin ja gammasäteilyyn – antavat täydellisemmän kuvan maailmankaikkeudesta kuin mikään yksittäinen teleskooppityyppi yksinään.
Kun katsot ylös yötaivaalle, näet tähtien kirkkaat valot. Jos asut pimeässä paikassa kaukana kaupungeista, voit nähdä niitä tuhansia. Mutta näkemäsi yksittäiset pisteet ovat kaikki lähellä olevia tähtiä. Noin 100 miljardia muuta tähteä on olemassa pelkästään meidän galaksissamme, jota kutsutaan Linnunradaksi. Tähtitieteilijät uskovat, että Linnunradan ulkopuolella on vielä noin 100 miljardia muuta galaksia (joissa jokaisessa on omat 100 miljardia tähteä). Lähes kaikki nämä tähdet ovat näkymättömiä silmillesi, jotka eivät näe kaukaisten tähtien himmeää valoa. Silmistäsi jää huomaamatta muitakin asioita. Näkyvä valo, jonka silmäsi näkevät, on vain pieni osa siitä, mitä tähtitieteilijät kutsuvat ”sähkömagneettiseksi spektriksi”, eli eri valoaaltojen kokonaisuudesta. Sähkömagneettiseen spektriin kuuluvat myös gammasäteet, röntgensäteet, ultraviolettisäteily, infrapunasäteily, mikroaallot ja radioaallot. Koska ihmissilmät näkevät vain näkyvän valon, meidän on rakennettava erityisiä teleskooppeja poimimaan loput tuosta ”spektristä” – ja sitten muutettava ne kuviksi ja kuvaajiksi, jotka voimme nähdä.
Mikä on radioaalto?
Valo koostuu pienistä hiukkasista, joita kutsutaan ”fotoneiksi”. Näkyvän valon fotoneilla on keskinkertainen määrä energiaa. Kun fotoneilla on hieman enemmän energiaa, ne muuttuvat ultraviolettisäteilyksi, jota et näe, mutta joka voi polttaa sinut auringossa. Jos fotoneilla on enemmän energiaa, niistä tulee röntgensäteilyä, joka kulkee suoraan lävitsesi. Jos fotoneilla on vielä enemmän energiaa, niistä tulee gammasäteitä, joita tulee tähdistä niiden räjähtäessä.
Mutta kun fotoneilla on hieman vähemmän energiaa kuin näkyvän valon fotoneilla, niitä kutsutaan infrapunasäteilyksi. Ne voi tuntea lämpönä. Lopuksi kutsumme fotoneja, joilla on vähiten energiaa, ”radioaalloiksi”. Radioaallot tulevat avaruuden oudoista paikoista – kylmimmistä ja vanhimmista paikoista sekä tähdistä, joissa on eniten ainetta ahtaassa tilassa. Radioaallot kertovat meille maailmankaikkeuden osista, joiden olemassaolosta emme edes tietäisi, jos käyttäisimme vain silmiämme tai teleskooppeja, jotka näkevät näkyvät fotonit.
Aallonpituus ja taajuus
Radiotähtitieteilijät käyttävät näitä radiofotoneja oppiakseen lisää näkymättömästä maailmankaikkeudesta. Fotonit kulkevat aaltoina, ikään kuin ne ajaisivat vuoristoradalla, joka käyttää vain samoja kahta ratakappaletta yhä uudelleen ja uudelleen . Fotonin aallon koko – sen aallonpituus – kertoo sen energiasta. Kuvassa 1 on aaltoja, joilla on kaksi eri aallonpituutta. Jos aalto on pitkä, siinä ei ole paljon energiaa; jos se on lyhyt, siinä on paljon energiaa. Radioaalloilla ei ole paljon energiaa, joten ne kulkevat suurina aaltoina, joiden aallonpituus on pitkä. Radioaallot voivat olla satojen metrien levyisiä tai vain muutaman senttimetrin levyisiä.
- Kuva 1 – Fotonit kulkevat aaltoina. Kunkin aallon pituutta kutsutaan aallonpituudeksi.
Astronomit puhuvat myös siitä, kuinka monta tällaista aaltoa kulkee pisteen ohi joka sekunti – radioaallon ”taajuudesta”. Voit ajatella taajuutta kuvittelemalla vesilammikon. Jos heität kiven veteen, aallot kulkevat lammen poikki. Jos seisot vedessä, aallot osuvat nilkkoihisi. Aaltojen taajuus selviää siitä, kuinka monta aaltoa osuu sinuun yhdessä sekunnissa. Yhtä aaltoa sekunnissa kutsutaan 1 hertsiksi. Miljoona aaltoa sekunnissa on 1 MHz. Jos aallot ovat pitkiä, niitä osuu sinuun vähemmän sekunnissa, joten pitkien aaltojen taajuus on pienempi. Radioaalloilla on pitkät aallonpituudet ja pienet taajuudet.
Radiopioneerit
Ensimmäinen radiotähtitieteilijä ei tarkoittanut olla ensimmäinen radiotähtitieteilijä. Vuonna 1933 mies nimeltä Karl Jansky työskenteli projektin parissa Bell Laboratoriesille, New Jerseyssä sijaitsevalle laboratoriolle, joka oli nimetty puhelimen keksijän Alexander Graham Bellin mukaan. Siellä työskentelevät insinöörit kehittivät ensimmäistä puhelinjärjestelmää, joka toimi Atlantin valtameren yli. Kun ihmiset kokeilivat ensimmäistä kertaa soittaa puheluita kyseisellä järjestelmällä, he kuulivat taustalla tiettyinä vuorokaudenaikoina sihisevän äänen. Bell Labs katsoi, että tämä ääni haittasi liiketoimintaa, joten se lähetti Karl Janskyn selvittämään, mikä sen aiheutti. Hän huomasi pian, että ääni alkoi, kun galaksimme keskikohta nousi taivaalla, ja loppui, kun se laski (kaikki taivaalla nousee ja laskee aivan kuten Aurinko ja Kuu). Hän keksi, että galaksin keskipisteestä tulevat radioaallot sotkivat puhelinyhteyden ja aiheuttivat kohinan. Hän – ja puhelin – oli havainnut avaruudesta tulevia radioaaltoja. Jansky avasi uuden, näkymättömän maailmankaikkeuden. Kuvassa 2 näet kuvan antennista, jolla Karl Jansky havaitsi avaruudesta tulevat radioaallot.
- Kuva 2 – Radioastronomian perustaja Karl Jansky seisoo rakentamansa antennin kanssa, jolla havaittiin ensimmäiset avaruudesta tuleviksi tunnistetut radioaallot. Lähde: NRAO.
Janskyn tutkimusten innoittamana Grote Reber -niminen mies rakensi radioteleskoopin takapihalleen Illinoisissa. Hän sai 31 jalan läpimittaisen teleskoopin valmiiksi vuonna 1937 ja käytti sitä koko taivaan katsomiseen ja sen selvittämiseen, mistä radioaallot tulevat. Sitten hän teki radioteleskoopistaan keräämistään tiedoista ensimmäisen kartan ”radiotaivaasta”.
Radioteleskooppipuhe
Näet näkyvän valon, koska näkyvän valon fotonit kulkevat pieninä aaltoina, ja silmäsi on pieni. Mutta koska radioaallot ovat suuria, silmäsi pitäisi olla suuri havaitakseen ne. Joten kun tavalliset teleskoopit ovat muutaman tuuman tai jalan levyisiä, radioteleskoopit ovat paljon suurempia. Länsi-Virginiassa sijaitseva Green Bank -teleskooppi on yli 300 jalkaa leveä, ja se näkyy kuvassa 3. Puerto Ricon viidakossa sijaitsevan Arecibo-teleskoopin halkaisija on lähes 1 000 jalkaa. Ne näyttävät jättimäisiltä versioilta satelliittitelevisioantenneista, mutta ne toimivat kuten tavalliset teleskoopit.
- Kuva 3 – Kuvan Green Bank Telescope -teleskoopin kaltaiset kojeet eivät ehkä näytä perinteisiltä teleskoopeilta, mutta ne toimivat pitkälti samalla tavalla, mutta ne havaitsevat näkyvän valon sijasta radioaaltoja. Sitten ne muuttavat nämä radioaallot, joita ihmissilmä ei näe, kuviksi ja kuvaajiksi, joita tutkijat voivat tulkita. Lähde: NRAO.
Tavanomaista teleskooppia käytetään kohdistamalla se avaruudessa olevaan kohteeseen. Tuosta kohteesta tuleva valo osuu sitten peiliin tai linssiin, joka heijastaa valon toiseen peiliin tai linssiin, joka taas heijastaa valon uudelleen ja lähettää sen silmääsi tai kameraan.
Kun tähtitieteilijä kohdistaa radioteleskoopin johonkin avaruudessa olevaan kohteeseen, avaruudesta tulevat radioaallot osuvat teleskoopin pinnalle. Pinta – joka voi olla metallia, jossa on reikiä, niin sanottua verkkoa, tai kiinteää metallia, kuten alumiinia – toimii kuin peili radioaalloille. Se heijastaa ne toiseen ”radio-peiliin”, joka sitten heijastaa ne siihen, mitä tähtitieteilijät kutsuvat ”vastaanottimeksi”. Vastaanotin tekee saman kuin kamera: se muuttaa radioaallot kuvaksi. Tästä kuvasta näkee, kuinka voimakkaita radioaallot ovat ja mistä päin taivasta ne tulevat.
Radiovisio
Kun tähtitieteilijät etsivät radioaaltoja, he näkevät erilaisia kohteita ja tapahtumia kuin katsoessaan näkyvää valoa. Paikat, jotka näyttävät silmiemme tai tavallisten teleskooppien silmissä pimeiltä, palavat kirkkaina radioaalloilla. Esimerkiksi paikat, joissa syntyy tähtiä, ovat täynnä pölyä. Pöly estää valoa pääsemästä meihin, joten koko alue näyttää mustalta läiskältä. Mutta kun tähtitieteilijät kääntävät radioteleskoopit kyseiseen kohtaan, he näkevät suoraan pölyn läpi: he näkevät tähden syntyvän.
Tähdet syntyvät avaruuden jättimäisissä kaasupilvissä. Ensin kaasu kasaantuu yhteen. Sitten painovoiman vaikutuksesta yhä enemmän kaasua vetäytyy kasaan. Rykelmä kasvaa yhä suuremmaksi ja kuumemmaksi ja kuumemmaksi. Kun se on tarpeeksi suuri ja kuuma, se alkaa murskata vetyatomeja, pienimpiä olemassa olevia atomeja, yhteen. Kun vetyatomit törmäävät toisiinsa, ne muodostavat heliumia, hieman suurempaa atomia. Sitten tästä kaasurykelmästä tulee virallinen tähti. Radioteleskoopit ottavat kuvia näistä pikkutähdistä .
Radioteleskoopit näyttävät myös lähimmän tähden salaisuudet. Valo, jonka näemme Auringosta, tulee läheltä sen pintaa, jonka lämpötila on noin 9 000oF. Mutta pinnan yläpuolella lämpötila on jopa 100 000oF. Radioteleskoopit auttavat meitä oppimaan lisää näistä kuumista osista, jotka lähettävät radioaaltoja.
Aurinkokuntamme planeetoilla on myös radiopersoonallisuuksia. Radioteleskoopit näyttävät meille Uranuksen ja Neptunuksen ympärillä pyörivät kaasut ja miten ne liikkuvat. Jupiterin pohjois- ja etelänavat loistavat radioaalloilla. Jos lähetämme radioaaltoja kohti Merkuriusta ja pyydystämme takaisin kimpoavat radioaallot radioteleskoopilla, voimme tehdä lähes yhtä hyvän kartan kuin Google Earth .
Katsottaessa paljon kauemmas radioteleskoopit näyttävät meille joitakin maailmankaikkeuden oudoimmista kohteista. Useimpien galaksien keskuksissa on supermassiivisia mustia aukkoja. Mustat aukot ovat kohteita, joissa on paljon massaa puristettuna pieneen tilaan. Tämä massa antaa niille niin suuren vetovoiman, ettei mikään, ei edes valo, voi paeta niiden vetovoimaa. Mustat aukot nielevät tähdet, kaasun ja kaiken muun, mikä tulee liian lähelle. Kun tuo epäonninen aines tuntee mustan aukon painovoiman, se kiertyy ensin mustan aukon ympärille. Kun se pääsee lähemmäksi, se liikkuu yhä nopeammin. Mustan aukon ylä- ja alapuolelle muodostuu valtavia sähkömagneettisen säteilyn ja aineen, joka ei pääse mustaan aukkoon, suihkuja eli pylväitä (joskus pitempiä kuin kokonainen galaksi on leveä). Radioteleskoopit näyttävät nämä suihkut toiminnassa (kuva 4).
- Kuva 4 – Galaksit, joiden keskuksissa on supermassiivisia mustia aukkoja, voivat ampua ulos tässä näkyvän kaltaisia aine- ja säteilysuihkuja, jotka ovat pitempiä kuin galaksin leveys on. Lähde:
Massiiviset kohteet, kuten nämä mustat aukot, vääristävät avaruuden kudosta, jota kutsutaan aika-avaruudeksi. Kuvittele, että asetat paljon painavan keilapallon trampoliinille. Trampoliini notkahtaa alaspäin. Avaruudessa olevat painavat aineet saavat aika-avaruuden notkahtamaan aivan kuten trampoliini. Kun kaukaisista galakseista tulevat radioaallot kulkevat tuon notkahduksen yli päästäkseen Maahan, muoto toimii aivan kuten suurennuslasin muoto Maassa: teleskoopit näkevät silloin suuremman ja kirkkaamman kuvan kaukaisesta galaksista.
Radioteleskoopit auttavat myös ratkaisemaan yhden maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä: Mitä on pimeä energia? Maailmankaikkeus kasvaa joka sekunti. Ja se kasvaa joka sekunti yhä nopeammin, koska ”pimeä energia” on painovoiman vastakohta: Sen sijaan, että se vetäisi kaiken yhteen, se työntää kaiken kauemmas toisistaan. Mutta kuinka voimakasta pimeä energia on? Radioteleskoopit voivat auttaa tutkijoita vastaamaan tähän kysymykseen tarkastelemalla ”megamasereita”, joita esiintyy luonnostaan joissakin avaruuden osissa. ”Megamaser” on kuin maan laser, mutta se lähettää radioaaltoja näkemämme punaisen tai vihreän valon sijasta. Tutkijat voivat käyttää megamasereita pimeän energian yksityiskohtien selvittämiseen. Jos tiedemiehet saavat selville, kuinka kaukana nuo megamaaserit ovat, he voivat kertoa, kuinka kaukana eri galaksit ovat, ja sitten he voivat selvittää, kuinka nopeasti nuo galaksit etääntyvät meistä.
Täydellinen työkalupakki
Jos käytössämme olisi vain näkyvän valon havaitsevia teleskooppeja, jäisi suuri osa maailmankaikkeuden tapahtumista näkemättä. Kuvittele, jos lääkäreillä olisi työkaluna vain stetoskooppi. He voisivat oppia paljon potilaan sydämen sykkeestä. Mutta he voisivat oppia paljon enemmän, jos heillä olisi myös röntgenlaite, ultraäänikuvauslaite, magneettikuvauslaite ja tietokonetomografia. Näiden välineiden avulla he saisivat kattavamman kuvan siitä, mitä potilaan kehossa tapahtuu. Tähtitieteilijät käyttävät radioteleskooppeja yhdessä ultravioletti-, infrapuna-, optisten, röntgen- ja gammateleskooppien kanssa samasta syystä: saadakseen täydellisen kuvan siitä, mitä maailmankaikkeudessa tapahtuu.
Sanasto
Elektromagneettinen spektri: Näkyvä valo, jonka voimme nähdä, on vain pieni osa ”sähkömagneettista spektriä”. Näkyvä valo koostuu fotoneista, joiden energia on keskinkertainen. Enemmän energiaa omaavia fotoneja ovat ultraviolettisäteily, röntgensäteet ja gammasäteet (gammasäteillä on eniten energiaa). Vähemmän energiaa omaavia fotoneja ovat infrapuna- ja radioaallot (radioaalloilla on vähiten energiaa).
Fotoni: Valo koostuu fotoneiksi kutsutuista hiukkasista, jotka kulkevat aaltoina.
Aallonpituus: Aallon koko, jossa fotoni kulkee.
Taajuus: Niiden valoaaltojen määrä, jotka kulkevat pisteen ohi yhdessä sekunnissa.
Hertz: 1 Hz tarkoittaa, että yksi aalto kulkee pisteen ohi yhdessä sekunnissa. Yksi megahertsi tarkoittaa, että yksi miljoona aaltoa ohittaa pisteen sekunnissa.
Vastaanotin: Radioteleskoopin osa, joka ottaa radioaallot vastaan ja muuttaa ne kuvaksi.
Pimeä energia: Pimeä energia toimii painovoiman vastakohtana ja työntää kaikkea maailmankaikkeudessa kauemmas toisistaan.
Megamaser: Luonnollinen laser avaruudessa, joka lähettää radioaaltoja punaisen tai vihreän valon sijaan, kuten laserosoittimesta tuleva valo.
Jansky, K. G. 1993. Radioaallot aurinkokunnan ulkopuolelta. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Kosminen staattisuus. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., ja Ostriker, E. 2007. Tähtien muodostumisen teoria. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetaarinen tutka-astronomia. 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. Kosmologia ja Hubble-vakio: Megamaser-kosmologiaprojektista (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
.