Abstract
A rádiócsillagászat 1933-ban kezdődött, amikor egy Karl Jansky nevű mérnök véletlenül felfedezte, hogy a rádióhullámok nemcsak az általunk létrehozott találmányokból, hanem az űrben található természetes anyagokból is származnak. Azóta a csillagászok egyre jobb és jobb távcsöveket építettek, hogy megtalálják ezeket a kozmikus rádióhullámokat, és többet tudjanak meg arról, hogy honnan jönnek, és mit mondhatnak nekünk a világegyetemről. Míg a tudósok a hagyományos távcsövekkel észlelt látható fényből sokat tanulhatnak, addig a rádióteleszkópok segítségével különböző objektumokat és eseményeket – például fekete lyukakat, formálódó csillagokat, születőben lévő bolygókat, haldokló csillagokat és még sok mást – észlelhetnek. A különböző hullámokat – a rádióhullámoktól a látható fényhullámokon át a gammasugarakig – észlelni képes távcsövek együttesen teljesebb képet adnak az univerzumról, mint amire bármelyik típusú távcső önmagában képes.
Amikor felnézel az éjszakai égboltra, a csillagok fényes fényét látod. Ha sötét helyen élsz, távol a városoktól, akkor több ezer csillagot láthatsz belőlük. De az egyes pontok, amiket látsz, mind közeli csillagok. Körülbelül 100 milliárd további csillag létezik csak a mi galaxisunkban, amelyet Tejútrendszernek nevezünk. A Tejútrendszeren túl a csillagászok szerint még körülbelül 100 milliárd galaxis létezik (mindegyiknek 100 milliárd csillaga van). Ezeknek a csillagoknak majdnem mindegyike láthatatlan a szemünk számára, amely nem látja a távoli csillagok halvány fényét. A szemed más dolgokról is lemarad. A szemed által látható fény csak egy parányi része annak, amit a csillagászok “elektromágneses spektrumnak” neveznek, vagyis a létező különböző fényhullámok teljes skálájának. Az elektromágneses spektrumba tartoznak még a gammasugarak, a röntgensugarak, az ultraibolya sugárzás, az infravörös sugárzás, a mikrohullámok és a rádióhullámok. Mivel az emberi szem csak a látható fényt látja, speciális távcsöveket kell építenünk, hogy a “spektrum” többi részét is felfoghassuk – majd képeket és grafikonokat készítsünk belőlük, amelyeket láthatunk.
Mi a rádióhullám?
A fény apró részecskékből, úgynevezett “fotonokból” áll. A látható fényben lévő fotonok közepes energiával rendelkeznek. Ha a fotonok egy kicsit több energiával rendelkeznek, akkor ultraibolya sugárzássá válnak, amit nem láthatunk, de leéghetünk tőle. Ennél nagyobb energiával a fotonok röntgensugárzássá válnak, amely keresztülhalad rajtad. Ha a fotonok még több energiával rendelkeznek, akkor gammasugárzássá válnak, ami a csillagokból jön ki, amikor azok felrobbannak.
De amikor a fotonok egy kicsit kevesebb energiával rendelkeznek, mint a látható fényben lévő fotonok, akkor infravörös sugárzásnak nevezzük őket. Ezeket hő formájában érezhetjük. Végül a legkisebb energiájú fotonokat “rádióhullámoknak” nevezzük. A rádióhullámok az űr furcsa pontjairól származnak – a leghidegebb és legöregebb helyekről, valamint azokról a csillagokról, ahol a legtöbb anyag van kis helyre zsúfolva. A rádióhullámok az univerzum olyan részeiről mesélnek nekünk, amelyek létezéséről nem is tudnánk, ha csak a szemünket vagy a látható fotonokat látó távcsöveket használnánk.
Hullámhossz és frekvencia
A rádiócsillagászok ezeket a rádiófotonokat használják arra, hogy megismerjék a láthatatlan univerzumot. A fotonok hullámokban utaznak, mintha hullámvasúton utaznának, amely csak ugyanazt a két darab pályát használja újra és újra . A foton hullámának mérete – a hullámhossza – árulkodik az energiájáról. Az 1. ábra két különböző hullámhosszúságú hullámot mutat. Ha a hullám hosszú, akkor nincs sok energiája; ha rövid, akkor sok energiával rendelkezik. A rádióhullámoknak nincs sok energiájuk, ezért nagy hullámokban, hosszú hullámhosszal terjednek. A rádióhullámok több száz méteres vagy csak néhány centiméteres átmérőjűek lehetnek.
- 1. ábra – A fotonok hullámokban terjednek. Az egyes hullámok hosszát hullámhossznak nevezik.
A csillagászok arról is beszélnek, hogy másodpercenként hány ilyen hullám halad át egy ponton – ez a rádióhullám “frekvenciája”. A frekvenciára úgy is gondolhatsz, hogy elképzelsz egy tónyi vizet. Ha egy követ dobsz a vízbe, a hullámok végigfutnak a tavon. Ha beleállsz a vízbe, a hullámok a bokádat érik. Az egy másodperc alatt beléd csapódó hullámok száma megadja a hullámok frekvenciáját. A másodpercenkénti egy hullámot 1 Hertznek nevezzük. A másodpercenként egymillió hullám 1 MHz. Ha a hullámok hosszúak, másodpercenként kevesebb hullám csapódik beléd, ezért a hosszú hullámok frekvenciája kisebb. A rádióhullámoknak hosszú hullámhosszuk és kis frekvenciájuk van.
Rádió úttörők
Az első rádiócsillagász nem akart az első rádiócsillagász lenni. 1933-ban egy Karl Jansky nevű férfi a Bell Laboratories, a telefon feltalálójáról, Alexander Graham Bellről elnevezett New Jersey-i laboratórium számára dolgozott egy projekten. Az ottani mérnökök az első olyan telefonrendszert fejlesztették ki, amely az Atlanti-óceánon keresztül működött. Amikor az emberek először próbáltak telefonálni ezen a rendszeren, a nap bizonyos időszakaiban sziszegő hangot hallottak a háttérben. A Bell Labs úgy gondolta, hogy ez a zaj nem tesz jót az üzletnek, ezért elküldték Karl Jansky-t, hogy derítse ki, mi okozza ezt a zajt. Hamarosan észrevette, hogy a sziszegés akkor kezdődik, amikor a galaxisunk közepe felemelkedik az égen, és akkor ér véget, amikor lenyugszik (az égen minden úgy emelkedik és nyugszik, mint a Nap és a Hold). Rájött, hogy a galaxis középpontjából érkező rádióhullámok zavarják a telefonkapcsolatot és okozzák a sziszegést. Ő – és a telefon – az űrből érkező rádióhullámokat észlelte. Jansky egy új, láthatatlan univerzumot nyitott meg. A 2. ábrán látható a Karl Jansky által az űrből érkező rádióhullámok észlelésére használt antenna képe.
- 2. ábra – A rádiócsillagászat megalapítója, Karl Jansky az általa épített antennával áll, amely az első, űrből érkezőnek azonosított rádióhullámokat észlelte. Forrás: I: NRAO.
Janksy kutatásain felbuzdulva egy Grote Reber nevű férfi rádióteleszkópot épített az illinois-i hátsó kertjében. A 31 láb átmérőjű teleszkópot 1937-ben fejezte be, és arra használta, hogy az egész égboltot átnézze, és megnézze, honnan jönnek a rádióhullámok. Ezután a rádióteleszkópjából gyűjtött adatokból elkészítette az első térképet a “rádió égboltról”.
Rádióteleszkópos beszélgetés
A látható fényt azért látod, mert a látható fény fotonjai kis hullámokban terjednek, és a szemed kicsi. De mivel a rádióhullámok nagyok, a szemednek nagynak kellene lennie ahhoz, hogy érzékelje őket. Tehát míg a hagyományos távcsövek néhány centi vagy láb átmérőjűek, a rádiótávcsövek sokkal nagyobbak. A nyugat-virginiai Green Bank Teleszkóp több mint 300 láb széles, és a 3. ábrán látható. A Puerto Ricó-i dzsungelben lévő Arecibo Teleszkóp majdnem 1000 láb átmérőjű. Úgy néznek ki, mint a műholdas tévéantennák gigantikus változatai, de úgy működnek, mint a hagyományos távcsövek.
- 3. ábra – Bár az itt látható Green Bank Teleszkóphoz hasonló műszerek nem úgy néznek ki, mint a hagyományos távcsövek, nagyjából ugyanúgy működnek, csak látható fény helyett rádióhullámokat észlelnek. Ezeket a rádióhullámokat, amelyeket az emberi szem nem lát, a tudósok által értelmezhető képekké és grafikonokká alakítják. Forrás: Nézd meg, hogy a távcsövek hogyan működnek!
A hagyományos távcsövet úgy használjuk, hogy egy űrbeli objektumra irányítjuk. Az objektumból érkező fény aztán egy tükörre vagy lencsére esik, amely visszaveri a fényt egy másik tükörre vagy lencsére, amely aztán ismét visszaveri a fényt, és a szemedbe vagy egy kamerába küldi.
Amikor egy csillagász rádióteleszkópot irányít valamire az űrben, az űrből érkező rádióhullámok a távcső felületére csapódnak. A felület – amely lehet lyukacsos fém, úgynevezett háló, vagy tömör fém, például alumínium – tükörként viselkedik a rádióhullámok számára. Ez visszaveri őket egy második “rádiótükörbe”, amely aztán visszaveri őket abba, amit a csillagászok “vevőnek” neveznek. A vevő azt teszi, amit egy kamera: a rádióhullámokat képpé alakítja. Ez a kép megmutatja, milyen erősek a rádióhullámok, és honnan jönnek az égbolton.
Rádiólátás
Amikor a csillagászok rádióhullámokat keresnek, más objektumokat és eseményeket látnak, mint amikor a látható fényt keresik. Olyan helyek, amelyek a mi szemünknek vagy a hagyományos távcsöveknek sötétnek tűnnek, a rádióhullámokban fényesen égnek. Azok a helyek, ahol például csillagok keletkeznek, tele vannak porral. Ez a por megakadályozza, hogy a fény eljusson hozzánk, így az egész terület fekete foltnak tűnik. De amikor a csillagászok rádióteleszkópokat fordítanak arra a helyre, egyenesen átlátnak a poron: látják, ahogy egy csillag születik.
A csillagok az űrben lévő óriási gázfelhőkben születnek. Először is, ez a gáz összecsomósodik. Aztán a gravitáció miatt egyre több és több gáz vonzódik a csomóhoz. A csomó egyre nagyobb és nagyobb, egyre forróbb és forróbb lesz. Amikor már elég nagy és forró, elkezdi összezúzni a hidrogénatomokat, a létező legkisebb atomokat. Amikor a hidrogénatomok egymásnak ütköznek, héliumot, egy valamivel nagyobb atomot hoznak létre. Ezután ez a gázcsomó hivatalos csillaggá válik. A rádióteleszkópok képeket készítenek ezekről a kiscsillagokról .
A rádióteleszkópok megmutatják a legközelebbi csillag titkait is. A fény, amit a Napból látunk, a felszín közeléből származik, ami körülbelül 9000oF hőmérsékletű. A felszín felett azonban a hőmérséklet eléri a 100 000oF-ot. A rádióteleszkópok segítségével többet tudhatunk meg ezekről a forró részekről, amelyek rádióhullámokat bocsátanak ki.
A Naprendszerünk bolygói is rendelkeznek rádiós személyiségekkel. A rádióteleszkópok megmutatják nekünk az Uránusz és a Neptunusz körül kavargó gázokat és azok mozgását. A Jupiter északi és déli pólusai rádióhullámokkal világítanak. Ha rádióhullámokat küldünk a Merkúr felé, majd a visszaverődő rádióhullámokat rádióteleszkóppal elkapjuk, majdnem olyan jó térképet készíthetünk, mint a Google Earth .
A rádióteleszkópok sokkal távolabbról nézve megmutatják nekünk az univerzum legkülönösebb objektumait. A legtöbb galaxis középpontjában szupermasszív fekete lyukak vannak. A fekete lyukak olyan objektumok, amelyek rengeteg tömeget zsúfolnak össze egy aprócska térbe. Ez a tömeg olyan nagy gravitációt biztosít számukra, hogy semmi, még a fény sem tud szabadulni a vonzásuk alól. Ezek a fekete lyukak elnyelik a csillagokat, a gázt és minden mást, ami túl közel kerül hozzájuk. Amikor ezek a szerencsétlen dolgok megérzik a fekete lyuk gravitációját, először is spirálba kerülnek a fekete lyuk körül. Ahogy közeledik, egyre gyorsabban és gyorsabban halad. A fekete lyuk fölött és alatt a fekete lyukba be nem jutó elektromágneses sugárzás és anyag hatalmas (néha egy egész galaxis szélességénél is magasabb) sugárzások, vagyis oszlopok alakulnak ki. A rádióteleszkópok megmutatják ezeket a sugárnyalábokat működés közben (4. ábra).
- 4. ábra – A galaxisok, amelyek középpontjában szupermasszív fekete lyukak vannak, az itt láthatóhoz hasonló anyag- és sugárzási sugárnyalábokat lövellhetnek ki, amelyek magasabbak, mint a galaxis szélessége. Forrás: B:
Az ilyen fekete lyukakhoz hasonló masszív objektumok eltorzítják a tér szövetét, az úgynevezett téridőt. Képzeljük el, hogy egy nagy súlyú bowlinggolyót egy trambulinra állítunk. A trambulin megereszkedik. A térben lévő súlyos dolgok ugyanúgy megereszkednek a téridőben, mint a trambulin. Amikor a távoli galaxisokból érkező rádióhullámok ezen a megereszkedésen keresztül jutnak el a Földre, az alakja úgy viselkedik, mint a Földön egy nagyító alakja: a távcsövek ekkor nagyobb, fényesebb képet látnak a távoli galaxisról.
A rádióteleszkópok az univerzum egyik legnagyobb rejtélyének megoldásához is hozzájárulnak: Mi az a sötét energia? Az univerzum minden másodpercben egyre nagyobb lesz. És minden másodpercben egyre nagyobb lesz, mert a “sötét energia” a gravitáció ellentéte: Ahelyett, hogy mindent összehúzna, mindent távolabbra tol. De mennyire erős a sötét energia? A rádióteleszkópok segíthetnek a tudósoknak megválaszolni ezt a kérdést az űr egyes részein természetes módon előforduló “megamaszerek” vizsgálatával: a megamaszer olyan, mint a földi lézer, de az általunk látható vörös vagy zöld fény helyett rádióhullámokat bocsát ki. A tudósok a megamaszerek segítségével meg tudják határozni a sötét energia részleteit. Ha a tudósok ki tudják számolni, milyen messze vannak ezek a megamaszerek, akkor meg tudják mondani, milyen messze vannak a különböző galaxisok, és azt is ki tudják számolni, milyen gyorsan távolodnak tőlünk ezek a galaxisok.
A teljes eszköztár
Ha csak olyan távcsöveink lennének, amelyek a látható fényt észlelik, akkor az univerzumban zajló események nagy részéről lemaradnánk. Képzeljük el, ha az orvosoknak csak a sztetoszkóp lenne az eszközük. Sokat megtudhatnának a beteg szívveréséről. De sokkal többet tudnának meg, ha lenne egy röntgengépük, egy szonográfjuk, egy MRI-műszerük és egy CT-jük is. Ezekkel az eszközökkel teljesebb képet kaphatnának arról, hogy mi történik a beteg testében. A csillagászok a rádióteleszkópokat az ultraibolya, infravörös, optikai, röntgen- és gamma-távcsövekkel együtt használják ugyanebből az okból: hogy teljes képet kapjanak arról, mi történik a világegyetemben.
Glosszárium
Elektromágneses spektrum: Az általunk látható fény az “elektromágneses spektrumnak” csak egy parányi része. A látható fény közepes energiájú fotonokból áll. A nagyobb energiájú fotonok az ultraibolya sugárzás, a röntgensugárzás és a gamma-sugárzás (a gamma-sugárzásnak van a legnagyobb energiája). A kisebb energiájú fotonok az infravörös és a rádióhullámok (a rádióhullámoknak van a legkisebb energiájuk).
Foton: A fény fotonoknak nevezett részecskékből áll, amelyek hullámokban terjednek.
Hullámhossz:
Frekvencia: Az egy másodperc alatt egy pont mellett elhaladó fényhullámok száma.
Hertz: 1 Hz azt jelenti, hogy egy hullám egy másodperc alatt halad el egy pont mellett. Egy megahertz azt jelenti, hogy másodpercenként egymillió hullám halad el.
Vevő: A rádióteleszkópnak az a része, amely a rádióhullámokat befogadja és képpé alakítja.
Sötét energia: A sötét energia a gravitáció ellentéteként viselkedik, és mindent távolabb tol az univerzumban egymástól.
Megamaser: Egy természetes lézer az űrben, amely rádióhullámokat bocsát ki, nem pedig vörös vagy zöld fényt, mint amilyet egy lézermutató bocsát ki.
Jansky, K. G. 1993. Rádióhullámok a Naprendszeren kívülről. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Kozmikus statika. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. A csillagkeletkezés elmélete. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Bolygóradarcsillagászat. 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. Kozmológia és a Hubble-állandó: a megaméretű kozmológiai projektről (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
.