Abstract
Radioastronomia a început în 1933, când un inginer pe nume Karl Jansky a descoperit din greșeală că undele radio nu provin doar de la invențiile create de noi, ci și de la lucruri naturale din spațiu. De atunci, astronomii au construit telescoape din ce în ce mai bune pentru a găsi aceste unde radio cosmice și pentru a afla mai multe despre proveniența lor și despre ceea ce ne pot spune despre univers. În timp ce oamenii de știință pot învăța multe din lumina vizibilă pe care o detectează cu telescoapele obișnuite, ei pot detecta diferite obiecte și evenimente – cum ar fi găurile negre, stelele în formare, planetele în curs de naștere, stelele muribunde și multe altele – cu ajutorul telescoapelor radio. Împreună, telescoapele care pot vedea diferite tipuri de unde – de la undele radio la undele de lumină vizibilă și până la razele gamma – oferă o imagine mai completă a universului decât o poate face orice tip de telescop de unul singur.
Când priviți cerul de noapte, vedeți luminile strălucitoare ale stelelor. Dacă locuiți într-un loc întunecat, departe de orașe, puteți vedea mii de ele. Dar punctele individuale pe care le vedeți sunt toate stelele din apropiere. Alte aproximativ 100 de miliarde de stele, există doar în galaxia noastră, care se numește Calea Lactee. Dincolo de Calea Lactee, astronomii cred că mai există încă aproximativ 100 de miliarde de galaxii (fiecare cu propriile 100 de miliarde de stele). Aproape toate aceste stele sunt invizibile pentru ochii dumneavoastră, care nu pot vedea lumina slabă a stelelor îndepărtate. Ochii dvs. ratează și alte lucruri. Lumina vizibilă pe care ochii dumneavoastră o pot vedea reprezintă doar o mică parte din ceea ce astronomii numesc „spectrul electromagnetic”, adică întreaga gamă de unde luminoase diferite care există. Spectrul electromagnetic include, de asemenea, razele gama, razele X, radiațiile ultraviolete, radiațiile infraroșii, microundele și undele radio. Deoarece ochii umani pot vedea doar lumina vizibilă, trebuie să construim telescoape speciale pentru a capta restul acestui „spectru” – și apoi să le transformăm în imagini și grafice pe care le putem vedea.
Ce este o undă radio?
Lumina este alcătuită din particule mici numite „fotoni”. Fotonii din lumina vizibilă au o cantitate medie de energie. Când fotonii au un pic mai multă energie, ei devin radiații ultraviolete, pe care nu le puteți vedea, dar care vă pot provoca arsuri solare. Cu mai multă energie decât atât, fotonii devin raze X, care trec direct prin tine. Dacă fotonii posedă și mai multă energie, ei devin raze gamma, care ies din stele atunci când acestea explodează.
Dar atunci când fotonii au un pic mai puțină energie decât fotonii de lumină vizibilă, ei sunt cunoscuți sub numele de radiații infraroșii. Îi puteți simți sub formă de căldură. În cele din urmă, pe fotonii cu cea mai puțină energie îi numim „unde radio”. Undele radio provin din locuri ciudate din spațiu – cele mai reci și mai vechi locuri și stelele cu cel mai mult material înghesuit într-un spațiu mic. Undele radio ne vorbesc despre părți ale universului despre care nici măcar nu am ști că există dacă ne-am folosi doar ochii sau telescoapele care văd fotonii vizibili.
Lungime de undă și frecvență
Radioastronomii folosesc acești fotoni radio pentru a învăța despre universul invizibil. Fotonii se deplasează în valuri, ca și cum s-ar plimba într-un roller coaster care folosește doar aceleași două bucăți de cale ferată la nesfârșit . Mărimea undei unui foton – lungimea sa de undă – vă spune despre energia sa. Figura 1 prezintă unde cu două lungimi de undă diferite. Dacă unda este lungă, nu are prea multă energie; dacă este scurtă, are multă energie. Undele radio nu au multă energie, ceea ce înseamnă că se deplasează în unde mari, cu lungimi de undă mari. Undele radio pot avea un diametru de sute de metri sau doar câțiva centimetri.
- Figura 1 – Fotonii se deplasează în unde. Lungimea fiecărei unde se numește lungime de undă.
Astronomii vorbesc, de asemenea, despre câte dintre aceste unde trec printr-un punct în fiecare secundă – „frecvența” undei radio. Vă puteți gândi la frecvență imaginându-vă un iaz cu apă. Dacă aruncați o piatră în apă, undele se deplasează de-a lungul iazului. Dacă stați în apă, valurile vă lovesc gleznele. Numărul de valuri care te lovesc într-o secundă îți indică frecvența valurilor. O undă pe secundă se numește 1 Hertz. Un milion de unde pe secundă reprezintă 1 MHz. Dacă valurile sunt lungi, mai puține valuri vă lovesc în fiecare secundă, astfel încât valurile lungi au frecvențe mai mici. Undele radio au lungimi de undă lungi și frecvențe mici.
Pionierii radio
Primul radioastronom nu a vrut să fie primul radioastronom. În 1933, un bărbat pe nume Karl Jansky lucra la un proiect pentru Bell Laboratories, un laborator din New Jersey numit după Alexander Graham Bell, care a inventat telefonul. Inginerii de acolo dezvoltau primul sistem telefonic care funcționa peste Oceanul Atlantic. Când oamenii au încercat pentru prima dată să efectueze apeluri telefonice pe acel sistem, au auzit un șuierat pe fundal în anumite momente ale zilei. Cei de la Bell Labs au considerat că acel zgomot era dăunător pentru afaceri, așa că l-au trimis pe Karl Jansky să afle care era cauza. Acesta a observat curând că șuieratul începea atunci când mijlocul galaxiei noastre se ridica pe cer și se termina când apunea (totul pe cer se ridică și apune la fel ca Soarele și Luna). Și-a dat seama că undele radio care veneau din centrul galaxiei încurcau conexiunea telefonică și provocau șuieratul. El – și telefonul – au detectat undele radio din spațiu. Jansky a deschis un univers nou, invizibil. Puteți vedea o imagine a antenei folosite de Karl Jansky pentru a detecta undele radio din spațiu în figura 2.
- Figura 2 – Fondatorul radioastronomiei, Karl Jansky, stă alături de antena pe care a construit-o și care a detectat primele unde radio identificate ca provenind din spațiu. Sursa: NRAO.
Inspirat de cercetările lui Janksy, un bărbat pe nume Grote Reber a construit un radiotelescop în curtea sa din Illinois. El a terminat telescopul, care avea un diametru de 31 de picioare, în 1937 și l-a folosit pentru a privi întregul cer și a vedea de unde veneau undele radio. Apoi, din datele pe care le-a colectat de la radiotelescopul său, a realizat prima hartă a „cerului radio” .
Radio Telescope Talk
Puteți vedea lumina vizibilă pentru că fotonii de lumină vizibilă călătoresc în unde mici, iar ochiul dumneavoastră este mic. Dar pentru că undele radio sunt mari, ochiul tău ar trebui să fie mare pentru a le detecta. Așadar, în timp ce telescoapele obișnuite au un diametru de câțiva centimetri sau picioare, radiotelescoapele sunt mult mai mari. Telescopul Green Bank din Virginia de Vest are o lățime de peste 300 de picioare și poate fi văzut în figura 3. Telescopul Arecibo, aflat în jungla din Puerto Rico, are un diametru de aproape 1.000 de picioare. Acestea arată ca niște versiuni gigantice ale antenelor de televiziune prin satelit, dar funcționează ca niște telescoape obișnuite.
- Figura 3 – În timp ce instrumente precum Green Bank Telescope, ilustrat aici, nu arată ca niște telescoape tradiționale, ele funcționează cam în același mod, dar detectează undele radio în loc de lumina vizibilă. Ele transformă apoi aceste unde radio, pe care ochii umani nu le pot vedea, în imagini și grafice pe care oamenii de știință le pot interpreta. Sursa: NRAO.
Pentru a utiliza un telescop obișnuit, îl îndreptați spre un obiect din spațiu. Lumina de la acel obiect lovește apoi o oglindă sau o lentilă, care ricoșează acea lumină către o altă oglindă sau lentilă, care apoi ricoșează din nou lumina și o trimite către ochiul dumneavoastră sau către o cameră foto.
Când un astronom îndreaptă un radiotelescop către ceva din spațiu, undele radio din spațiu lovesc suprafața telescopului. Suprafața – care poate fi metal cu găuri în ea, numit plasă, sau metal solid, precum aluminiul – acționează ca o oglindă pentru undele radio. Aceasta le ricoșează către o a doua „oglindă radio”, care le trimite apoi în ceea ce astronomii numesc „receptor”. Receptorul face ceea ce face o cameră foto: transformă undele radio într-o imagine. Această imagine arată cât de puternice sunt undele radio și de unde vin ele de pe cer.
Viziune radio
Când astronomii se uită după undele radio, ei văd obiecte și evenimente diferite de cele pe care le văd când se uită după lumina vizibilă. Locurile care par întunecate pentru ochii noștri, sau pentru telescoapele obișnuite, ard luminos în undele radio. Locurile în care se formează stelele, de exemplu, sunt pline de praf. Acest praf blochează lumina să ajungă până la noi, astfel încât întreaga zonă arată ca o pată neagră. Dar când astronomii îndreaptă radiotelescoapele spre acel loc, pot vedea direct prin praf: pot vedea cum se naște o stea.
Stelele se nasc în nori uriași de gaz din spațiu. Mai întâi, acel gaz se aglomerează. Apoi, din cauza gravitației, din ce în ce mai mult gaz este atras de aglomerare. Ghemul devine din ce în ce mai mare și din ce în ce mai fierbinte. Când este suficient de mare și de fierbinte, începe să zdrobească atomii de hidrogen, cei mai mici atomi care există, între ei. Atunci când atomii de hidrogen se ciocnesc între ei, ei formează heliu, un atom puțin mai mare. Apoi, această aglomerare de gaz devine oficial o stea. Radiotelescoapele fac fotografii ale acestor stele mici .
Radiotelescoapele arată secretele celei mai apropiate stele, de asemenea. Lumina pe care o vedem de la Soare provine din apropierea suprafeței, care are o temperatură de aproximativ 9.000oF. Dar deasupra suprafeței, temperatura atinge 100.000oF. Radiotelescoapele ne ajută să aflăm mai multe despre aceste părți fierbinți, care trimit unde radio.
Plantele din sistemul nostru solar au, de asemenea, personalități radio. Radiotelescoapele ne arată gazele care se învârt în jurul lui Uranus și Neptun și cum se deplasează acestea. Polii nord și sud ai lui Jupiter se luminează în unde radio. Dacă trimitem unde radio spre Mercur și apoi captăm undele radio care ricoșează înapoi folosind un radiotelescop, putem realiza o hartă aproape la fel de bună ca Google Earth .
Când privesc mult mai departe, radiotelescoapele ne arată unele dintre cele mai ciudate obiecte din univers. Cele mai multe galaxii au găuri negre supermasive în centrul lor. Găurile negre sunt obiecte care au o mulțime de masă strivită într-un spațiu foarte mic. Această masă le conferă o gravitație atât de mare încât nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa de atracția lor. Aceste găuri negre înghit stele, gaz și orice altceva care se apropie prea mult. Când aceste lucruri ghinioniste simt gravitația găurii negre, ele se învârt mai întâi în jurul găurii negre. Pe măsură ce se apropie, se mișcă din ce în ce mai repede. Deasupra și dedesubtul găurii negre se formează jeturi uriașe, sau coloane, de radiații electromagnetice și de materie care nu reușesc să intre în gaura neagră (uneori mai înalte decât o galaxie întreagă este lată). Radiotelescoapele arată aceste jeturi în acțiune (Figura 4).
- Figura 4 – Galaxiile care au găuri negre supermasive în centrul lor pot lansa jeturi de materie și radiații, precum cele văzute aici, care sunt mai înalte decât este lată galaxia. Sursa: NRAO.
Obiectele masive precum aceste găuri negre deformează țesătura spațiului, numită spațiu-timp. Imaginați-vă că așezați o minge de bowling, care cântărește foarte mult, pe o trambulină. Trambulina se lasă în jos. Lucrurile cu greutate din spațiu fac ca spațiul-timp să se îndoaie la fel ca trambulina. Când undele radio care vin de la galaxiile îndepărtate călătoresc peste această încovoiere pentru a ajunge pe Pământ, forma acționează exact ca forma unei lupe pe Pământ: telescoapele văd atunci o imagine mai mare și mai luminoasă a galaxiei îndepărtate.
Radiotelescoapele ajută, de asemenea, la rezolvarea unuia dintre cele mai mari mistere din univers: Ce este energia întunecată? Universul devine mai mare cu fiecare secundă. Și se mărește din ce în ce mai repede în fiecare secundă, deoarece „energia întunecată” este opusul gravitației: În loc să atragă totul laolaltă, împinge totul mai departe. Dar cât de puternică este energia întunecată? Radiotelescoapele îi pot ajuta pe oamenii de știință să răspundă la această întrebare prin observarea „megamaserilor” care apar în mod natural în unele părți ale spațiului. Un megamaser este ca un fel de laser pe Pământ, dar trimite unde radio în loc de lumina roșie sau verde pe care o putem vedea. Oamenii de știință pot folosi megamaserii pentru a stabili detaliile energiei întunecate. Dacă oamenii de știință își pot da seama cât de departe se află aceste megamasere, pot spune cât de departe se află diferite galaxii și apoi își pot da seama cât de repede se îndepărtează aceste galaxii de noi.
Un set complet de instrumente
Dacă am avea doar telescoape care captează lumina vizibilă, am pierde o mare parte din acțiunea din univers. Imaginați-vă dacă medicii ar avea ca instrument doar un stetoscop. Ei ar putea afla multe despre bătăile inimii pacientului. Dar ar putea afla mult mai multe dacă ar avea și un aparat cu raze X, o sonogramă, un instrument RMN și un tomograf. Cu aceste instrumente, ei ar putea obține o imagine mai completă a ceea ce se întâmplă în interiorul corpului pacientului. Astronomii folosesc radiotelescoapele împreună cu telescoapele cu raze ultraviolete, infraroșii, optice, cu raze X și cu raze gama din același motiv: pentru a obține o imagine completă a ceea ce se întâmplă în univers.
Glosar
Spectrul electromagnetic: Lumina vizibilă pe care o putem vedea este doar o mică parte din „spectrul electromagnetic”. Lumina vizibilă este alcătuită din fotoni cu energie medie. Fotonii cu mai multă energie sunt radiațiile ultraviolete, razele X și razele gamma (razele gamma au cea mai mare energie). Fotonii cu mai puțină energie sunt radiațiile infraroșii și undele radio (undele radio au cea mai mică energie).
Foton: Lumina este formată din particule numite fotoni, care se deplasează în unde.
Lungime de undă: Dimensiunea undei în care călătorește un foton.
Frecvență: Numărul de unde luminoase care trec pe lângă un punct într-o secundă.
Hertz: 1 Hz înseamnă că o undă trece pe lângă un punct într-o secundă. Un megahertz înseamnă că un milion de unde trec pe lângă un punct în fiecare secundă.
Receptor: Partea unui radiotelescop care preia undele radio și le transformă într-o imagine.
Energie întunecată: Energia întunecată acționează ca opusul gravitației și împinge totul în univers mai departe.
Megamaser: Un laser natural din spațiu care trimite unde radio, în loc de lumină roșie sau verde, cum ar fi cea care provine de la un pointer laser.
Jansky, K. G. 1993. Undele radio din afara sistemului solar. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
Reber, G. 1944. Cosmic static. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
McKee, C. F., și Ostriker, E. 2007. Teoria formării stelelor. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetary radar astronomy. 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. Cosmologia și constanta Hubble: despre proiectul de cosmologie megamaser (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
doi: 10.1017/S1743921312007223.