Abstract
Radioastronomin började 1933 när en ingenjör vid namn Karl Jansky av en slump upptäckte att radiovågor inte bara kommer från uppfinningar som vi skapar utan också från naturliga saker i rymden. Sedan dess har astronomer byggt allt bättre teleskop för att hitta dessa kosmiska radiovågor och lära sig mer om varifrån de kommer och vad de kan berätta för oss om universum. Forskarna kan lära sig mycket av det synliga ljuset som de upptäcker med vanliga teleskop, men de kan upptäcka olika objekt och händelser – t.ex. svarta hål, stjärnor som håller på att bildas, planeter som håller på att födas, stjärnor som håller på att dö med mera – med hjälp av radioteleskop. Tillsammans ger teleskop som kan se olika typer av vågor – från radiovågor till synliga ljusvågor och gammastrålar – en mer komplett bild av universum än vad en enskild typ av teleskop kan göra på egen hand.
När du tittar upp på natthimlen ser du stjärnornas klara ljus. Om du bor på en mörk plats långt från städerna kan du se tusentals av dem. Men de enskilda prickar du ser är alla närliggande stjärnor. Omkring 100 miljarder fler stjärnor, finns bara i vår galax, som kallas Vintergatan. Utanför Vintergatan tror astronomer att det finns ytterligare cirka 100 miljarder galaxer (var och en med sina egna 100 miljarder stjärnor). Nästan alla dessa stjärnor är osynliga för dina ögon, som inte kan se det svaga ljuset från avlägsna stjärnor. Dina ögon missar också andra saker. Det synliga ljuset som dina ögon kan se är bara en liten del av det som astronomer kallar ”det elektromagnetiska spektrumet”, hela det spektrum av olika ljusvågor som finns. Det elektromagnetiska spektrumet omfattar även gammastrålar, röntgenstrålar, ultraviolett strålning, infraröd strålning, mikrovågor och radiovågor. Eftersom människans ögon bara kan se synligt ljus måste vi bygga speciella teleskop för att kunna se resten av detta ”spektrum” – och sedan omvandla dem till bilder och grafer som vi kan se.
Vad är en radiovåg?
Ljus består av små partiklar som kallas ”fotoner”. Fotoner i synligt ljus har en medelstor mängd energi. När fotonerna har lite mer energi blir de till ultraviolett strålning, som du inte kan se men som kan ge dig solbränna. Med mer energi än så blir fotoner till röntgenstrålar, som går rakt igenom dig. Om fotoner har ännu mer energi blir de gammastrålar, som kommer ut ur stjärnor när de exploderar.
Men när fotoner har lite mindre energi än synliga ljusfotoner kallas de för infraröd strålning. Man kan känna dem som värme. Slutligen kallar vi de fotoner som har minst energi för ”radiovågor”. Radiovågorna kommer från märkliga platser i rymden – de kallaste och äldsta platserna och de stjärnor där mest material är packat på ett litet utrymme. Radiovågorna berättar för oss om delar av universum som vi inte ens skulle veta att det finns om vi bara använde våra ögon eller teleskop som ser synliga fotoner.
Våglängd och frekvens
Radioastronomer använder dessa radiofotonerna för att lära sig mer om det osynliga universum. Fotoner färdas i vågor, som om de åker i en berg- och dalbana som bara använder samma två delar av banan om och om igen . Storleken på en fotons våg – dess våglängd – säger något om dess energi. Figur 1 visar vågor med två olika våglängder. Om vågen är lång har den inte mycket energi, om den är kort har den mycket energi. Radiovågor har inte mycket energi, och det innebär att de färdas i stora vågor med långa våglängder. Radiovågor kan vara hundratals meter breda eller bara några centimeter breda.
- Figur 1 – Fotoner färdas i vågor. Längden på varje våg kallas våglängd.
Astronomer talar också om hur många av dessa vågor som passerar en punkt varje sekund – radiovågens ”frekvens”. Du kan tänka på frekvens genom att föreställa dig en damm med vatten. Om du kastar en sten i vattnet rör sig krusningar över dammen. Om du står i vattnet slår vågorna mot dina vrister. Antalet vågor som slår mot dig på en sekund säger dig vågornas frekvens. En våg per sekund kallas 1 hertz. En miljon vågor per sekund är 1 MHz. Om vågorna är långa är det färre som träffar dig varje sekund, så långa vågor har lägre frekvenser. Radiovågor har långa våglängder och små frekvenser.
Radio-pionjärer
Den första radioastronomen menade inte att vara den första radioastronomen. År 1933 arbetade en man vid namn Karl Jansky med ett projekt för Bell Laboratories, ett labb i New Jersey uppkallat efter Alexander Graham Bell, som uppfann telefonen. Ingenjörerna där höll på att utveckla det första telefonsystemet som fungerade över Atlanten. När folk för första gången försökte ringa telefonsamtal med det systemet hörde de ett svischande ljud i bakgrunden vid vissa tider på dagen. Bell Labs tyckte att det ljudet var dåligt för affärerna, så de skickade Karl Jansky för att ta reda på vad som orsakade det. Han märkte snart att väsandet började när mitten av vår galax steg på himlen och slutade när den gick ner (allt på himlen stiger och går ner precis som solen och månen gör). Han kom fram till att radiovågor från galaxens centrum störde telefonförbindelsen och orsakade väsendet. Han – och telefonen – hade upptäckt radiovågor från rymden . Jansky öppnade ett nytt, osynligt universum. Du kan se en bild på den antenn som Karl Jansky använde för att upptäcka radiovågor från rymden i figur 2.
- Figur 2 – Radioastronomins grundare, Karl Jansky, står med den antenn som han byggde och som upptäckte de första radiovågorna som identifierades komma från rymden. Källa: Karl Jansky: NRAO.
Inspirerad av Janksys forskning byggde en man vid namn Grote Reber ett radioteleskop på sin bakgård i Illinois. Han färdigställde teleskopet, som var 31 fot brett, 1937 och använde det för att titta på hela himlen och se var radiovågorna kom ifrån. Utifrån de data han samlade in från sitt radioteleskop gjorde han sedan den första kartan över ”radiohimlen” .
Radio Telescope Talk
Du kan se synligt ljus eftersom fotonerna i det synliga ljuset färdas i små vågor, och ditt öga är litet. Men eftersom radiovågor är stora måste ditt öga vara stort för att upptäcka dem. Så medan vanliga teleskop är några centimeter eller meter stora är radioteleskop mycket större. Green Bank-teleskopet i West Virginia är mer än 300 fot brett och kan ses i figur 3. Arecibo-teleskopet i djungeln i Puerto Rico har en bredd på nästan 1 000 fot. De ser ut som gigantiska versioner av parabolantenner, men de fungerar som vanliga teleskop.
- Figur 3 – Även om instrument som Green Bank-teleskopet, som visas här, kanske inte ser ut som traditionella teleskop, så fungerar de i stort sett på samma sätt, men de upptäcker radiovågor istället för synligt ljus. De omvandlar sedan dessa radiovågor, som mänskliga ögon inte kan se, till bilder och grafer som forskare kan tolka. Källa: NRAO.
För att använda ett vanligt teleskop riktar man det mot ett objekt i rymden. Ljuset från det objektet träffar sedan en spegel eller lins, som studsar ljuset till en annan spegel eller lins, som sedan studsar ljuset igen och skickar det till ditt öga eller en kamera.
När en astronom riktar ett radioteleskop mot något i rymden träffar radiovågor från rymden teleskopets yta. Ytan – som kan vara metall med hål i, så kallad mesh, eller solid metall, som aluminium – fungerar som en spegel för radiovågorna. Den studsar upp dem till en andra ”radiospegel”, som sedan studsar dem till vad astronomer kallar en ”mottagare”. Mottagaren gör samma sak som en kamera: den omvandlar radiovågorna till en bild. Bilden visar hur starka radiovågorna är och varifrån de kommer på himlen.
Radiosyn
När astronomer letar efter radiovågor ser de andra objekt och händelser än de ser när de letar efter synligt ljus. Platser som verkar mörka för våra ögon, eller för vanliga teleskop, brinner klart i radiovågor. Platser där stjärnor bildas är till exempel fulla av damm. Detta damm blockerar ljuset från att nå oss, så hela området ser ut som en svart klump. Men när astronomer riktar radioteleskopen mot den platsen kan de se rakt igenom dammet: de kan se hur en stjärna föds.
Stjärnor föds i gigantiska gasmoln i rymden. Först klumpar gasen ihop sig. På grund av gravitationen dras sedan mer och mer gas till klumpen. Klumpen blir större och större och hetare och hetare. När den är tillräckligt stor och varm börjar den krossa väteatomer, de minsta atomer som finns, tillsammans. När väteatomer kraschar in i varandra bildar de helium, en något större atom. Sedan blir den här gasklumpen en officiell stjärna. Radioteleskop tar bilder av de här stjärnorna.
Radioteleskop visar också hemligheterna hos den närmaste stjärnan. Det ljus som vi ser från solen kommer från närheten av solens yta, som är cirka 9 000oF. Men ovanför ytan når temperaturen upp till 100 000oF. Radioteleskop hjälper oss att lära oss mer om dessa varma delar, som sänder ut radiovågor.
Planeterna i vårt solsystem har också radiopersonligheter. Radioteleskop visar oss gaserna som virvlar runt Uranus och Neptunus och hur de rör sig. Jupiters nord- och sydpoler lyser upp i radiovågor. Om vi skickar radiovågor mot Merkurius och sedan fångar upp radiovågorna som studsar tillbaka med hjälp av ett radioteleskop kan vi göra en karta som är nästan lika bra som Google Earth .
När de tittar mycket längre bort visar radioteleskopen oss några av de märkligaste objekten i universum. De flesta galaxer har supermassiva svarta hål i sitt centrum. Svarta hål är objekt som har mycket massa som pressats in i ett litet utrymme. Denna massa ger dem så mycket gravitation att ingenting, inte ens ljus, kan undkomma deras dragningskraft. Dessa svarta hål slukar stjärnor, gas och allt annat som kommer för nära. När de oturliga sakerna känner av det svarta hålets gravitation, spiralar de först runt det svarta hålet. När det närmar sig går det snabbare och snabbare. Enorma jetstrålar, eller kolonner, av elektromagnetisk strålning och materia som inte klarar sig in i det svarta hålet (ibland högre än vad en hel galax är bred) bildas ovanför och under det svarta hålet. Radioteleskop visar dessa jetstrålar i aktion (figur 4).
- Figur 4 – Galaxer som har supermassiva svarta hål i sitt centrum kan skjuta ut jetstrålar av materia och strålning, som de som syns här, som är högre än vad galaxen är bred. Källa: NRAO.
Massiva objekt som dessa svarta hål förvränger rymdens struktur, som kallas rumtid. Föreställ dig att du ställer en bowlingkula, som väger mycket, på en studsmatta. Trampolinen sjunker ner. Tunga saker i rymden gör att rymdtiden sjunker ner precis som trampolinen. När radiovågor som kommer från avlägsna galaxer färdas över denna svackning för att nå jorden, fungerar formen precis som formen på ett förstoringsglas på jorden: teleskopen ser då en större och ljusare bild av den avlägsna galaxen.
Radio-teleskopen hjälper också till att lösa ett av de största mysterierna i universum: Vad är mörk energi? Universum blir större för varje sekund. Och det blir större och större snabbare och snabbare varje sekund eftersom ”mörk energi” är motsatsen till gravitation: Istället för att dra ihop allting trycker den allting längre ifrån varandra. Men hur stark är den mörka energin? Radioteleskop kan hjälpa forskarna att besvara denna fråga genom att titta på ”megamaskiner” som förekommer naturligt i vissa delar av rymden. En megamaskin är ungefär som en laser på jorden, men den sänder ut radiovågor i stället för det röda eller gröna ljus som vi kan se. Forskarna kan använda megamasrar för att fastställa detaljerna i den mörka energin . Om forskarna kan räkna ut hur långt bort dessa megamasrar är kan de avgöra hur långt bort olika galaxer är, och sedan kan de räkna ut hur snabbt dessa galaxer rusar bort från oss.
En komplett verktygslåda
Om vi bara hade teleskop som fångade upp synligt ljus skulle vi gå miste om mycket av det som händer i universum. Tänk om läkare bara hade ett stetoskop som verktyg. De skulle kunna lära sig mycket om patientens hjärtslag. Men de skulle kunna lära sig så mycket mer om de också hade en röntgenapparat, ett sonogram, ett MRT-instrument och en datortomograf. Med dessa verktyg kunde de få en mer fullständig bild av vad som hände i patientens kropp. Astronomer använder radioteleskop tillsammans med ultravioletta, infraröda, optiska, röntgen- och gammateleskop av samma anledning: för att få en fullständig bild av vad som händer i universum.
Glossar
Elektromagnetiskt spektrum: Det synliga ljuset som vi kan se är bara en liten del av det ”elektromagnetiska spektrumet”. Synligt ljus består av fotoner med medelhög energi. Fotoner med mer energi är ultraviolett strålning, röntgenstrålar och gammastrålar (gammastrålar har mest energi). Fotoner med mindre energi är infraröd strålning och radiovågor (radiovågor har minst energi).
Photon: Ljus består av partiklar som kallas fotoner och som rör sig i vågor.
Våglängd: Ljuset består av partiklar som kallas fotoner och som rör sig i vågor.
Våglängd: Våglängd: Storleken på vågen som en foton färdas i.
Frekvens: Antalet ljusvågor som passerar en punkt på en sekund.
Hertz: 1 Hz innebär att en våg passerar en punkt på en sekund. En megahertz innebär att en miljon vågor passerar förbi varje sekund.
Mottagare: Den del av ett radioteleskop som tar emot radiovågorna och omvandlar dem till en bild.
Mörk energi: Mörk energi: Den mörka energin fungerar som motsatsen till gravitationen och pressar allt i universum längre ifrån varandra.
Megamaser: En naturlig laser i rymden som sänder ut radiovågor i stället för rött eller grönt ljus som det som kommer från en laserpekare.
Jansky, K. G. 1993. Radiovågor utanför solsystemet. 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. Teori om stjärnbildning. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
Ostro, S. J. 1993. Planetär 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 och Hubblekonstanten: om megamaser-kosmologiprojektet (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223
.