Abstract
Radioastronomia rozpoczęła się w 1933 roku, gdy inżynier Karl Jansky przypadkowo odkrył, że fale radiowe pochodzą nie tylko od wynalazków, które tworzymy, ale także od naturalnych rzeczy w kosmosie. Od tego czasu astronomowie budują coraz lepsze teleskopy, aby znaleźć te kosmiczne fale radiowe i dowiedzieć się więcej o tym, skąd one pochodzą i co mogą nam powiedzieć o wszechświecie. Podczas gdy naukowcy mogą się wiele nauczyć na podstawie światła widzialnego wykrywanego przez zwykłe teleskopy, za pomocą teleskopów radiowych mogą wykrywać różne obiekty i zdarzenia – takie jak czarne dziury, formujące się gwiazdy, planety w trakcie narodzin, umierające gwiazdy i wiele innych. Razem, teleskopy, które widzą różne rodzaje fal – od fal radiowych, przez fale światła widzialnego, po promienie gamma – dają bardziej kompletny obraz wszechświata, niż jakikolwiek jeden typ teleskopu może sam z siebie.
Kiedy patrzysz w górę na nocne niebo, widzisz jasne światła gwiazd. Jeśli mieszkasz w ciemnym miejscu z dala od miast, możesz zobaczyć ich tysiące. Ale te pojedyncze kropki, które widzisz, to wszystkie pobliskie gwiazdy. Około 100 miliardów więcej gwiazd istnieje tylko w naszej galaktyce, która nazywa się Drogą Mleczną. Astronomowie uważają, że poza Drogą Mleczną istnieje jeszcze około 100 miliardów innych galaktyk (każda z nich ma 100 miliardów gwiazd). Prawie wszystkie z tych gwiazd są niewidoczne dla Twoich oczu, które nie są w stanie dostrzec słabego światła odległych gwiazd. Twoje oczy nie dostrzegają również innych rzeczy. Światło widzialne, które widzą Twoje oczy, to tylko niewielka część tego, co astronomowie nazywają „spektrum elektromagnetycznym”, czyli całego zakresu różnych fal świetlnych, które istnieją. Spektrum elektromagnetyczne obejmuje również promienie gamma, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie podczerwone, mikrofale i fale radiowe. Ponieważ ludzkie oczy widzą tylko światło widzialne, musimy budować specjalne teleskopy, aby odbierać resztę tego „widma” – a następnie przekształcać je w obrazy i wykresy, które możemy zobaczyć.
Co to jest fala radiowa?
Światło składa się z maleńkich cząsteczek zwanych „fotonami”. Fotony w świetle widzialnym mają średnią ilość energii. Gdy fotony mają trochę więcej energii, stają się promieniowaniem ultrafioletowym, którego nie widać, ale które może spowodować oparzenia słoneczne. Przy większej energii fotony stają się promieniami rentgenowskimi, które przechodzą przez ciebie. Jeśli fotony posiadają jeszcze więcej energii, stają się promieniami gamma, które wychodzą z gwiazd, kiedy wybuchają.
Ale kiedy fotony mają trochę mniej energii niż fotony światła widzialnego, są one znane jako promieniowanie podczerwone. Można je odczuć jako ciepło. Wreszcie, fotony o najmniejszej energii nazywamy „falami radiowymi”. Fale radiowe pochodzą z dziwnych miejsc w przestrzeni – najzimniejszych i najstarszych miejsc oraz gwiazd z największą ilością materii upchniętej na małej przestrzeni. Fale radiowe mówią nam o częściach wszechświata, o których nawet nie wiedzielibyśmy, że istnieją, gdybyśmy używali tylko naszych oczu lub teleskopów, które widzą widzialne fotony.
Długość fali i częstotliwość
Radioastronomowie używają tych fotonów radiowych, aby dowiedzieć się o niewidzialnym wszechświecie. Fotony podróżują w falach, tak jak jeżdżą kolejką górską, która po prostu używa tych samych dwóch kawałków toru w kółko. Rozmiar fali fotonu – długość fali – mówi o jego energii. Rysunek 1 przedstawia fale o dwóch różnych długościach. Jeśli fala jest długa, nie ma dużo energii; jeśli jest krótka, ma dużo energii. Fale radiowe nie mają dużej energii, a to oznacza, że przemieszczają się w dużych falach o długich długościach. Fale radiowe mogą mieć średnicę setek stóp lub zaledwie kilku centymetrów.
- Rysunek 1 – Fotony poruszają się w falach. Długość każdej fali nazywana jest długością fali.
Astronomowie mówią również o tym, ile takich fal przechodzi przez dany punkt w każdej sekundzie – jest to „częstotliwość” fali radiowej. Częstotliwość można sobie wyobrazić jako staw z wodą. Jeśli wrzucisz kamień do wody, fale rozchodzą się po całym stawie. Jeśli staniesz w wodzie, fale uderzą w twoje kostki. Liczba fal, które uderzają w ciebie w ciągu jednej sekundy, mówi o częstotliwości fal. Jedna fala na sekundę to 1 herc. Milion fal na sekundę to 1 MHz. Jeśli fale są długie, w każdej sekundzie uderza ich mniej, dlatego długie fale mają mniejszą częstotliwość. Fale radiowe mają dużą długość fali i małą częstotliwość.
Pionierzy radia
Pierwszy radioastronom nie miał zamiaru być pierwszym radioastronomem. W 1933 roku, człowiek o nazwisku Karl Jansky pracował nad projektem dla Bell Laboratories, laboratorium w New Jersey nazwanego tak po Alexandrze Grahamie Bellu, który wynalazł telefon. Inżynierowie opracowywali tam pierwszy system telefoniczny, który działałby po drugiej stronie Oceanu Atlantyckiego. Kiedy ludzie po raz pierwszy próbowali prowadzić rozmowy telefoniczne za pomocą tego systemu, w pewnych porach dnia słyszeli w tle syczący dźwięk. Bell Labs uznało, że ten hałas jest szkodliwy dla biznesu, więc wysłało Karla Jansky’ego, aby dowiedział się, co go powoduje. Wkrótce zauważył on, że syczenie zaczynało się, gdy środek naszej galaktyki wznosił się na niebie, a kończyło, gdy zachodził (wszystko na niebie wznosi się i zachodzi tak samo jak Słońce i Księżyc). Zrozumiał, że fale radiowe pochodzące z centrum galaktyki zakłócały połączenie telefoniczne i powodowały syczenie. On – i telefon – wykryli fale radiowe z kosmosu. Jansky otworzył nowy, niewidzialny wszechświat. Zdjęcie anteny użytej przez Karla Jansky’ego do wykrycia fal radiowych z kosmosu można zobaczyć na rysunku 2.
- Rysunek 2 – Twórca radioastronomii, Karl Jansky, stoi ze zbudowaną przez siebie anteną, która wykryła pierwsze fale radiowe zidentyfikowane jako pochodzące z kosmosu. Źródło: NRAO.
Zainspirowany badaniami Janksy’ego, niejaki Grote Reber zbudował radioteleskop na swoim podwórku w Illinois. W 1937 roku ukończył teleskop o średnicy 31 stóp i użył go do obejrzenia całego nieba i sprawdzenia, skąd pochodzą fale radiowe. Następnie, na podstawie danych zebranych z radioteleskopu, stworzył pierwszą mapę „radiowego nieba” .
Radio Telescope Talk
Widzisz światło widzialne, ponieważ fotony światła widzialnego poruszają się w małych falach, a twoje oko jest małe. Ale ponieważ fale radiowe są duże, twoje oko musiałoby być duże, aby je wykryć. Dlatego też, podczas gdy zwykłe teleskopy mają średnicę kilku cali lub stóp, radioteleskopy są znacznie większe. Teleskop Green Bank w Zachodniej Wirginii ma ponad 300 stóp szerokości i można go zobaczyć na rysunku 3. Teleskop Arecibo w dżungli w Puerto Rico ma prawie 1000 stóp średnicy. Wyglądają one jak gigantyczne wersje anten telewizji satelitarnej, ale działają jak zwykłe teleskopy.
- Rysunek 3 – Chociaż instrumenty takie jak Green Bank Telescope, przedstawiony na zdjęciu, mogą nie wyglądać jak tradycyjne teleskopy, działają podobnie, ale wykrywają fale radiowe zamiast światła widzialnego. Następnie przekształcają te fale radiowe, których ludzkie oczy nie widzą, w obrazy i wykresy, które naukowcy mogą interpretować. Źródło: NRAO.
Aby użyć zwykłego teleskopu, kierujesz go na obiekt w przestrzeni. Światło z tego obiektu uderza w zwierciadło lub soczewkę, które odbija je do innego zwierciadła lub soczewki, które ponownie odbijają światło i wysyłają je do Twojego oka lub aparatu fotograficznego.
Gdy astronom kieruje radioteleskop na coś w przestrzeni, fale radiowe z kosmosu uderzają w powierzchnię teleskopu. Powierzchnia ta – która może być metalem z otworami, zwanym siatką, lub litym metalem, jak aluminium – działa jak lustro dla fal radiowych. Odbija je do drugiego „lustra radiowego”, które następnie odbija je do czegoś, co astronomowie nazywają „odbiornikiem”. Odbiornik robi to, co aparat fotograficzny: zamienia fale radiowe w obraz. Obraz ten pokazuje, jak silne są fale radiowe i skąd pochodzą na niebie.
Widzenie radiowe
Gdy astronomowie szukają fal radiowych, widzą inne obiekty i zdarzenia niż wtedy, gdy szukają światła widzialnego. Miejsca, które dla naszych oczu lub zwykłych teleskopów wydają się ciemne, w falach radiowych świecą jasno. Miejsca, w których tworzą się gwiazdy, są na przykład pełne pyłu. Pył ten blokuje światło przed dotarciem do nas, więc cały obszar wygląda jak czarna plama. Ale kiedy astronomowie skierują radioteleskopy w to miejsce, mogą zobaczyć prosto przez pył: mogą zobaczyć rodzącą się gwiazdę.
Gwiazdy rodzą się w gigantycznych obłokach gazu w przestrzeni. Najpierw gaz ten zlepia się razem. Następnie, z powodu grawitacji, coraz więcej gazu jest przyciągane do kępy. Kępa rośnie coraz większa i większa, coraz gorętsza i gorętsza. Kiedy jest już wystarczająco duża i gorąca, zaczyna rozbijać o siebie atomy wodoru, najmniejsze atomy, jakie istnieją. Kiedy atomy wodoru zderzają się ze sobą, tworzą hel, nieco większy atom. Następnie, ta kępa gazu staje się oficjalną gwiazdą. Radioteleskopy robią zdjęcia tych młodych gwiazd .
Radioteleskopy pokazują również sekrety najbliższej gwiazdy. Światło, które widzimy ze Słońca, pochodzi z jego powierzchni, która ma temperaturę około 9000oF. Ale powyżej powierzchni temperatura sięga 100 000oF. Radioteleskopy pomagają nam dowiedzieć się więcej o tych gorących częściach, które wysyłają fale radiowe.
Planety w naszym Układzie Słonecznym również mają osobowości radiowe. Radioteleskopy pokazują nam gazy, które wirują wokół Urana i Neptuna oraz to, jak się poruszają. Północny i południowy biegun Jowisza świecą w falach radiowych. Jeśli wyślemy fale radiowe w kierunku Merkurego, a następnie złapiemy fale radiowe, które odbiją się od niego za pomocą radioteleskopu, możemy stworzyć mapę prawie tak dobrą jak Google Earth .
Gdy patrzymy znacznie dalej, radioteleskopy pokazują nam jedne z najdziwniejszych obiektów we wszechświecie. Większość galaktyk ma supermasywne czarne dziury w swoich centrach. Czarne dziury są obiektami, które mają dużą masę upchniętą w niewielkiej przestrzeni. Masa ta nadaje im tak wielką grawitację, że nic, nawet światło, nie może uciec ich przyciąganiu. Te czarne dziury połykają gwiazdy, gaz i wszystko inne, co znajdzie się zbyt blisko. Kiedy te nieszczęśliwe rzeczy poczują grawitację czarnej dziury, najpierw krążą wokół niej. W miarę jak się zbliża, staje się coraz szybsze. Ogromne dżety, czyli kolumny promieniowania elektromagnetycznego i materii, która nie dostała się do czarnej dziury (czasami wyższe niż cała galaktyka) tworzą się nad i pod czarną dziurą. Teleskopy radiowe pokazują te dżety w akcji (Rysunek 4).
- Rysunek 4 – Galaktyki, które mają supermasywne czarne dziury w swoich centrach mogą wystrzeliwać dżety materii i promieniowania, takie jak te widoczne tutaj, które są wyższe niż cała galaktyka jest szeroka. Źródło: NRAO.
Masywne obiekty, takie jak te czarne dziury, wypaczają tkaninę przestrzeni, zwaną czasoprzestrzenią. Wyobraź sobie, że ustawiasz kulę do kręgli, która waży bardzo dużo, na trampolinie. Trampolina zwisa w dół. Ciężkie rzeczy w kosmosie sprawiają, że czasoprzestrzeń zapada się tak samo jak trampolina. Kiedy fale radiowe pochodzące z odległych galaktyk pokonują to ugięcie, aby dotrzeć do Ziemi, ich kształt działa tak samo jak kształt szkła powiększającego na Ziemi: teleskopy widzą wtedy większy, jaśniejszy obraz odległej galaktyki.
Teleskopy radiowe pomagają również rozwiązać jedną z największych tajemnic we wszechświecie: Czym jest ciemna energia? Wszechświat powiększa się z każdą sekundą. I z każdą sekundą powiększa się coraz szybciej, ponieważ „ciemna energia” jest przeciwieństwem grawitacji: Zamiast przyciągać wszystko do siebie, popycha wszystko jeszcze dalej od siebie. Ale jak silna jest ciemna energia? Teleskopy radiowe mogą pomóc naukowcom odpowiedzieć na to pytanie, patrząc na „megamasery”, które występują naturalnie w niektórych częściach przestrzeni kosmicznej. Megamasery są podobne do laserów na Ziemi, ale wysyłają fale radiowe zamiast czerwonego lub zielonego światła, które możemy zobaczyć. Naukowcy mogą użyć megamaserów do ustalenia szczegółów ciemnej energii. Jeśli naukowcy mogą dowiedzieć się, jak daleko są te megamasery, mogą powiedzieć, jak daleko są różne galaktyki, a następnie mogą dowiedzieć się, jak szybko te galaktyki oddalają się od nas.
Pełna skrzynka z narzędziami
Gdybyśmy mieli tylko teleskopy, które odbierały światło widzialne, ominęłoby nas wiele z akcji we wszechświecie. Wyobraź sobie, że lekarze mieliby tylko stetoskop jako narzędzie. Mogliby dowiedzieć się wiele o biciu serca pacjenta. Ale mogliby dowiedzieć się o wiele więcej, gdyby mieli również aparat rentgenowski, sonogram, aparat do rezonansu magnetycznego i tomograf komputerowy. Dzięki tym narzędziom mogliby uzyskać pełniejszy obraz tego, co dzieje się wewnątrz ciała pacjenta. Astronomowie używają teleskopów radiowych wraz z teleskopami ultrafioletowymi, podczerwonymi, optycznymi, rentgenowskimi i gamma z tego samego powodu: aby uzyskać pełny obraz tego, co dzieje się we wszechświecie.
Glosariusz
Widmo elektromagnetyczne: Światło widzialne, które możemy zobaczyć, jest tylko maleńką częścią „spektrum elektromagnetycznego”. Światło widzialne jest zbudowane z fotonów o średniej energii. Fotony o większej energii to promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promienie gamma (promienie gamma mają największą energię). Fotony o mniejszej energii to podczerwień i fale radiowe (fale radiowe mają najmniejszą energię).
Foton: Światło jest zbudowane z cząstek zwanych fotonami, które podróżują w waves.
Długość fali: Rozmiar fali, w której podróżuje foton.
Częstotliwość: Liczba fal świetlnych, które przechodzą przez punkt w ciągu jednej sekundy.
Hertz: 1 Hz oznacza, że jedna fala przechodzi przez punkt w ciągu jednej sekundy. Jeden megaherc oznacza milion fal przechodzących w każdej sekundzie.
Odbiornik: Część radioteleskopu, która odbiera fale radiowe i zamienia je w obraz.
Ciemna energia: Ciemna energia działa jak przeciwieństwo grawitacji i popycha wszystko we wszechświecie dalej od siebie.
Megamaser: Naturalny laser w przestrzeni kosmicznej, który wysyła fale radiowe, zamiast czerwonego lub zielonego światła, takiego jak to, które pochodzi ze wskaźnika laserowego.
Jansky, K. G. 1993. Fale radiowe spoza Układu Słonecznego. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Cosmic static. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. Theory of star formation. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetarna astronomia radarowa. 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. Cosmology and the Hubble constant: on the megamaser cosmology project (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
.