Hvordan radiobølger hjelper oss å forstå universet

Karl Jansky Very Large Array av radioteleskoper ligger i nærheten av Socorro, New Mexico. Denne matrisen fokuserer på radioutslipp fra en rekke objekter og prosesser på himmelen. NRAO/AUI

Mennesker oppfatter universet ved hjelp av synlig lys som vi kan se med øynene våre. Likevel er det mer i kosmos enn det vi ser ved å bruke det synlige lyset som strømmer fra stjerner, planeter, tåker og galakser. Disse objektene og hendelsene i universet avgir også andre former for stråling, inkludert radioutslipp. Disse naturlige signalene fyller ut en viktig del av det kosmiske om hvordan og hvorfor objekter i universet oppfører seg som de gjør.

Tech Talk: Radio Waves in Astronomy

Radiobølger er elektromagnetiske bølger (lys), men vi kan ikke se dem. De har bølgelengder mellom 1 millimeter (en tusendel av en meter) og 100 kilometer (en kilometer er lik tusen meter). Når det gjelder frekvens, tilsvarer dette 300 Gigahertz (én Gigahertz er lik en milliard Hertz) og 3 kilohertz. En Hertz (forkortet til Hz) er en vanlig brukt enhet for frekvensmåling. En Hertz er lik en syklus av frekvens. Så et 1-Hz-signal er en syklus per sekund. De fleste kosmiske objekter sender ut signaler med hundrevis til milliarder av sykluser per sekund.

Folk forveksler ofte 'radio'-utslipp med noe folk kan høre. Det er i stor grad fordi vi bruker radioer til kommunikasjon og underholdning. Men mennesker 'hører' ikke radiofrekvenser fra kosmiske objekter. Ørene våre kan registrere frekvenser fra 20 Hz til 16 000 Hz (16 KHz). De fleste kosmiske objekter sender ut ved Megahertz-frekvenser, som er mye høyere enn øret hører. Dette er grunnen til at radioastronomi (sammen med røntgen, ultrafiolett og infrarød) ofte antas å avsløre et 'usynlig' univers som vi verken kan se eller høre.

Kilder til radiobølger i universet

Radiobølger sendes vanligvis ut av energiske objekter og aktiviteter i universet. De Sol er den nærmeste kilden til radioutslipp utenfor jorden. Jupiter sender også ut radiobølger, det samme gjør hendelser som skjer ved Saturn.

En av de kraftigste kildene til radioutslipp utenfor solsystemet, og utenfor Melkeveien, kommer fraaktive galakser(AGN). Disse dynamiske objektene drives av supermassive sorte hull i deres kjerne. I tillegg vil disse sorte hullsmotorene skape massive jetfly av materiale som lyser sterkt med radiostråling. Disse kan ofte overgå hele galaksen i radiofrekvenser.

Pulsarer , eller roterende nøytronstjerner, er også sterke kilder til radiobølger. Disse sterke, kompakte objektene skapes når massive stjerner dør som supernovaer . De er nest etter sorte hull når det gjelder ultimat tetthet. Med kraftige magnetfelt og raske rotasjonshastigheter avgir disse objektene et bredt spekter av stråling , og de er spesielt 'lyse' i radio. Som supermassive sorte hull skapes kraftige radiostråler som kommer fra de magnetiske polene eller den spinnende nøytronstjernen.

Mange pulsarer blir referert til som 'radiopulsarer' på grunn av deres sterke radioutslipp. Faktisk data fra Fermi Gamma-ray Space Telescope viste bevis på en ny rase pulsarer som fremstår sterkest i gammastråler i stedet for den mer vanlige radioen. Prosessen med deres skapelse forblir den samme, men deres utslipp forteller oss mer om energien involvert i hver type objekt.

Supernova-rester i seg selv kan være spesielt sterke sendere av radiobølger. Krabbetåken er kjent for sine radiosignaler som varslet astronom Jocelyn Bell til dens eksistens.

Radioastronomi

Radioastronomi er studiet av objekter og prosesser i rommet som sender ut radiofrekvenser. Hver kilde som er oppdaget til dags dato er naturlig forekommende. Utslippene blir fanget opp her på jorden av radioteleskoper. Dette er store instrumenter, da det er nødvendig at detektorområdet er større enn de detekterbare bølgelengdene. Siden radiobølger kan være større enn en meter (noen ganger mye større), er skopene vanligvis i overkant av flere meter (noen ganger 30 fot på tvers eller mer). Noen bølgelengder kan være like store som et fjell, og derfor har astronomer bygget utvidede rekker av radioteleskoper.

Jo større oppsamlingsområdet er, sammenlignet med bølgestørrelsen, jo bedre vinkeloppløsning har et radioteleskop. (Vinkeloppløsning er et mål på hvor nærme to små objekter kan være før de ikke kan skilles.)

Radiointerferometri

Siden radiobølger kan ha veldig lange bølgelengder, må standard radioteleskoper være veldig store for å oppnå noen form for presisjon. Men siden bygging av radioteleskoper i stadionstørrelse kan være uoverkommelige (spesielt hvis du vil at de skal ha noen styreevne i det hele tatt), er en annen teknikk nødvendig for å oppnå de ønskede resultatene.

Radiointerferometri ble utviklet på midten av 1940-tallet og har som mål å oppnå den typen vinkeloppløsning som ville komme fra utrolig store retter uten kostnad. Astronomer oppnår dette ved å bruke flere detektorer parallelt med hverandre. Hver og en studerer det samme objektet samtidig som de andre.

Ved å jobbe sammen fungerer disse teleskopene effektivt som ett gigantisk teleskop på størrelse med hele gruppen av detektorer sammen. For eksempel har Very Large Baseline Array detektorer 8000 miles fra hverandre. Ideelt sett vil en rekke radioteleskoper med forskjellige separasjonsavstander fungere sammen for å optimalisere den effektive størrelsen på oppsamlingsområdet samt forbedre oppløsningen til instrumentet.

Med etableringen av avanserte kommunikasjons- og tidsstyringsteknologier har det blitt mulig å bruke teleskoper som eksisterer i store avstander fra hverandre (fra forskjellige punkter rundt om på kloden og til og med i bane rundt jorden). Denne teknikken, kjent som Very Long Baseline Interferometry (VLBI), forbedrer mulighetene til individuelle radioteleskoper betydelig og lar forskere undersøke noen av de mest dynamiske objektene i univers .

Radioens forhold til mikrobølgestråling

Radiobølgebåndet overlapper også med mikrobølgebåndet (1 millimeter til 1 meter). Faktisk det som vanligvis kalles radioastronomi , er egentlig mikrobølgeastronomi, selv om noen radioinstrumenter oppdager bølgelengder mye over 1 meter.

Dette er en kilde til forvirring ettersom noen publikasjoner vil liste opp mikrobølgebåndet og radiobåndene separat, mens andre ganske enkelt vil bruke begrepet 'radio' for å inkludere både det klassiske radiobåndet og mikrobølgebåndet.

Redigert og oppdatert avCarolyn Collins Petersen.