Jak fale radiowe pomagają nam zrozumieć wszechświat?

Bardzo duża tablica radioteleskopów Karla Jansky'ego znajduje się w pobliżu Socorro w Nowym Meksyku. Ta tablica skupia się na emisjach radiowych z różnych obiektów i procesów na niebie. NRAO/AUI

Ludzie postrzegają wszechświat za pomocą światła widzialnego, które możemy zobaczyć naszymi oczami. Jednak kosmos to coś więcej niż to, co widzimy za pomocą światła widzialnego, które płynie z gwiazd, planet, mgławic i galaktyk. Te obiekty i zdarzenia we wszechświecie emitują również inne formy promieniowania, w tym emisje radiowe. Te naturalne sygnały wypełniają ważną część kosmosu tego, jak i dlaczego obiekty we wszechświecie zachowują się tak, jak się zachowują.

Dyskusja techniczna: fale radiowe w astronomii

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne (światło), ale nie możemy ich zobaczyć. Mają długości fal od 1 milimetra (jedna tysięczna metra) do 100 kilometrów (jeden kilometr to tysiąc metrów). Pod względem częstotliwości odpowiada to 300 gigahercom (jeden gigaherc to miliard herców) i 3 kilohercom. Herc (w skrócie Hz) jest powszechnie używaną jednostką pomiaru częstotliwości. Jeden herc jest równy jednemu cyklowi częstotliwości. Tak więc sygnał 1 Hz to jeden cykl na sekundę. Większość obiektów kosmicznych emituje sygnały z prędkością setek do miliardów cykli na sekundę.

Ludzie często mylą emisje „radiowe” z czymś, co ludzie słyszą. Dzieje się tak głównie dlatego, że używamy radia do komunikacji i rozrywki. Ale ludzie nie „słyszą” częstotliwości radiowych z kosmicznych obiektów. Nasze uszy wyczuwają częstotliwości od 20 Hz do 16 000 Hz (16 kHz). Większość obiektów kosmicznych emituje na częstotliwościach megahercowych, które są znacznie wyższe niż słyszy ucho. Dlatego często uważa się, że radioastronomia (wraz z promieniowaniem rentgenowskim, ultrafioletowym i podczerwonym) ujawnia „niewidzialny” wszechświat, którego nie możemy ani zobaczyć, ani usłyszeć.

Źródła fal radiowych we Wszechświecie

Fale radiowe są zwykle emitowane przez obiekty energetyczne i działania we wszechświecie. The Słońce jest najbliższym źródłem emisji radiowych poza Ziemią. Jowisz emituje również fale radiowe, podobnie jak wydarzenia zachodzące na Saturnie.

Jedno z najpotężniejszych źródeł emisji radiowej poza Układem Słonecznym i poza galaktyką Drogi Mlecznej pochodzi zaktywne galaktyki(AGN). Te dynamiczne obiekty są zasilane przez supermasywne czarne dziury w ich rdzeniach. Dodatkowo, te silniki z czarnymi dziurami będą tworzyć masywne strumienie materii, które jasno świecą w emisjach radiowych. Często mogą one przyćmić całą galaktykę na częstotliwościach radiowych.

Pulsary , czyli wirujące gwiazdy neutronowe, są również silnymi źródłami fal radiowych. Te silne, zwarte obiekty powstają, gdy masywne gwiazdy umierają jako supernowe . Pod względem gęstości ostatecznej ustępują tylko czarnym dziurom. Dzięki silnym polom magnetycznym i szybkim obrotom obiekty te emitują szerokie spektrum promieniowanie i są szczególnie „jasne” w radiu. Podobnie jak supermasywne czarne dziury, powstają potężne dżety radiowe, emanujące z biegunów magnetycznych lub wirującej gwiazdy neutronowej.

Wiele pulsarów jest określanych jako 'pulsary radiowe' ze względu na ich silną emisję radiową. W rzeczywistości dane z Kosmiczny Teleskop Fermiego na promieniowanie gamma wykazali dowody na istnienie nowej rasy pulsarów, która wydaje się najsilniejsza w promieniowaniu gamma zamiast w bardziej powszechnym radiu. Proces ich tworzenia pozostaje taki sam, ale ich emisje mówią nam więcej o energii zaangażowanej w każdy rodzaj obiektu.

Same pozostałości po supernowych mogą być szczególnie silnymi emiterami fal radiowych. Mgławica Krab słynie z sygnałów radiowych, które: zaalarmowany astronom Jocelyn Bell do jego istnienia.

Radioastronomia

Radioastronomia zajmuje się badaniem obiektów i procesów w kosmosie, które emitują częstotliwości radiowe. Każde wykryte do tej pory źródło jest źródłem naturalnie występującym. Emisje są wychwytywane na Ziemi przez radioteleskopy. Są to duże instrumenty, ponieważ konieczne jest, aby obszar detektora był większy niż wykrywalne długości fal. Ponieważ fale radiowe mogą być większe niż metr (czasem znacznie większe), lunety mają zwykle ponad kilka metrów (czasami 30 stóp średnicy lub więcej). Niektóre długości fal mogą być tak duże jak góra, dlatego astronomowie zbudowali rozbudowane układy radioteleskopów.

Im większy obszar zbierania w porównaniu do rozmiaru fali, tym lepsza rozdzielczość kątowa radioteleskopu. (Rozdzielczość kątowa jest miarą tego, jak blisko mogą znajdować się dwa małe obiekty, zanim staną się nie do odróżnienia).

Interferometria radiowa

Ponieważ fale radiowe mogą mieć bardzo duże długości fal, standardowe radioteleskopy muszą być bardzo duże, aby uzyskać jakąkolwiek precyzję. Ale ponieważ budowa radioteleskopów wielkości stadionu może być zbyt kosztowna (zwłaszcza jeśli chcesz, aby miały jakąkolwiek zdolność sterowania), potrzebna jest inna technika, aby osiągnąć pożądane rezultaty.

Opracowana w połowie lat 40. interferometria radiowa ma na celu osiągnięcie rozdzielczości kątowej, która bez ponoszenia kosztów byłaby uzyskiwana z niewiarygodnie dużych czasz. Astronomowie osiągają to dzięki zastosowaniu wielu detektorów równolegle względem siebie. Każdy bada ten sam przedmiot w tym samym czasie co inni.

Pracując razem, te teleskopy skutecznie działają jak jeden gigantyczny teleskop wielkości całej grupy detektorów razem. Na przykład bardzo duża tablica bazowa ma detektory oddalone od siebie o 8000 mil. Idealnie byłoby, gdyby układ wielu radioteleskopów w różnych odległościach separacji współpracował ze sobą, aby zoptymalizować efektywny rozmiar obszaru zbierania, a także poprawić rozdzielczość instrumentu.

Dzięki stworzeniu zaawansowanych technologii komunikacyjnych i czasowych stało się możliwe korzystanie z teleskopów, które istnieją w dużych odległościach od siebie (z różnych punktów na kuli ziemskiej, a nawet na orbicie okołoziemskiej). Znana jako bardzo długa interferometria bazowa (VLBI), technika ta znacznie poprawia możliwości poszczególnych radioteleskopów i pozwala naukowcom badać niektóre z najbardziej dynamicznych obiektów w wszechświat .

Związek radia z promieniowaniem mikrofalowym

Pasmo fal radiowych pokrywa się również z pasmem mikrofalowym (1 milimetr do 1 metra). W rzeczywistości to, co powszechnie się nazywa radioastronomia , to tak naprawdę astronomia mikrofalowa, chociaż niektóre instrumenty radiowe wykrywają fale o długości znacznie przekraczającej 1 metr.

Jest to źródłem nieporozumień, ponieważ niektóre publikacje podają osobno pasmo mikrofalowe i pasma radiowe, podczas gdy inne będą po prostu używać terminu „radio”, aby uwzględnić zarówno klasyczne pasmo radiowe, jak i pasmo mikrofalowe.

Edytowane i aktualizowane przezCarolyn Collins Petersen.