Jak fale radiowe pomagają nam zrozumieć wszechświat

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

Fale radiowe są falami elektromagnetycznymi (światłem), ale ich nie widzimy. 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 odpowiada miliardowi herców) i 3 kilohercom. Hertz (w skrócie Hz) jest powszechnie stosowaną 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 od setek do miliardów cykli na sekundę.

Ludzie często mylą emisję „radiową” z czymś, co ludzie słyszą. Jest tak głównie dlatego, że używamy radia do komunikacji i rozrywki. Ale ludzie nie „słyszą” częstotliwości radiowych z obiektów kosmicznych. Nasze uszy wyczuwają częstotliwości od 20 Hz do 16 000 Hz (16 KHz). Większość obiektów kosmicznych emituje z częstotliwościami megahercowymi, które są znacznie wyższe niż słyszy ucho. Dlatego często uważa się, że radioastronomia (wraz z promieniowaniem rentgenowskim, ultrafioletem i podczerwienią) ujawnia „niewidzialny” wszechświat, którego nie możemy ani zobaczyć, ani usłyszeć.

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

Jedno z najpotężniejszych źródeł emisji radiowej poza Układem Słonecznym i poza galaktyką Drogi Mlecznej pochodzi aktywne galaktyki (AGN). Te dynamiczne obiekty są zasilane przez supermasywne czarne dziury w ich rdzeniach. Dodatkowo, te silniki z czarnymi dziurami wytworzą masywne strumienie materiału, które świecą jasno z emisją fal radiowych. Mogą one często przyćmić całą galaktykę częstotliwościami radiowymi.

Pulsarylub obracające się gwiazdy neutronowe są również silnym źródłem fal radiowych. Te silne, zwarte obiekty powstają, gdy umierają masywne gwiazdy supernowe. Wyprzedzają tylko czarne dziury pod względem ostatecznej gęstości. Dzięki silnym polom magnetycznym i szybkim obrotom obiekty te emitują szerokie spektrum promieniowaniei są szczególnie „jasne” w radiu. Podobnie jak supermasywne czarne dziury, powstają potężne strumienie radiowe, emanujące z biegunów magnetycznych lub wirującej gwiazdy neutronowej.

Wiele pulsarów jest nazywanych „pulsarami radiowymi” ze względu na ich silną emisję radiową. W rzeczywistości dane z Kosmiczny Teleskop Fermi pokazał dowody nowej rasy pulsarów, która wydaje się najsilniejsza w promieniach gamma zamiast w bardziej powszechnym radiu. Proces ich tworzenia pozostaje taki sam, ale ich emisje mówią nam więcej o energii zaangażowanej w każdy typ obiektu.

Same pozostałości po Supernowej mogą być szczególnie silnymi emiterami fal radiowych. Mgławica Kraba słynie z sygnałów radiowych zaalarmował astronom Jocelyn Bell do jego istnienia.

Radioastronomia to badanie obiektów i procesów w przestrzeni, które emitują częstotliwości radiowe. Każde wykryte do tej pory źródło jest źródłem naturalnie występującym. Emisje są odbierane tutaj na Ziemi przez teleskopy radiowe. 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), zakresy zwykle przekraczają kilka metrów (czasem 30 stóp lub więcej). Niektóre długości fal mogą być tak duże jak góra, dlatego astronomowie zbudowali rozszerzone tablice radioteleskopów.

Im większy obszar gromadzenia, w porównaniu do wielkości fali, tym lepsza rozdzielczość kątowa ma radioteleskop. (Rozdzielczość kątowa jest miarą tego, jak blisko mogą być dwa małe obiekty, zanim będą nierozróżnialne.)

Ponieważ fale radiowe mogą mieć bardzo długie długości fal, standardowe teleskopy radiowe muszą być bardzo duże, aby uzyskać jakąkolwiek precyzję. Ale ponieważ budowa teleskopów wielkości stadionu może być kosztowna (szczególnie jeśli chcesz) aby mieć jakąkolwiek zdolność kierowania), potrzebna jest inna technika, aby osiągnąć pożądane wyniki.

Opracowana w połowie lat 40. XX wieku interferometria radiowa ma na celu osiągnięcie rozdzielczości kątowej, która byłaby uzyskana z niewiarygodnie dużych naczyń bez ponoszenia kosztów. Astronomowie osiągają to dzięki zastosowaniu wielu detektorów równolegle do siebie. Każdy z nich bada ten sam przedmiot w tym samym czasie co inne.

Współpracując ze sobą, te teleskopy skutecznie działają jak jeden gigantyczny teleskop wielkości całej grupy detektorów razem. Na przykład Very Large Baseline Array ma detektory w odległości 8 000 mil. Idealnie byłoby, gdyby wiele teleskopów radiowych o różnych odległościach separacji współpracowało ze sobą w celu zoptymalizowania efektywnej wielkości obszaru gromadzenia, a także poprawy rozdzielczości urządzenia.

Dzięki stworzeniu zaawansowanych technologii komunikacji i pomiaru czasu możliwe stało się stosowanie teleskopów, które istnieją w dużych odległościach od siebie (z różnych punktów na całym świecie, a nawet na orbicie wokół Ziemi). Ta technika, znana jako bardzo długa interferometria linii podstawowej (VLBI), znacznie poprawia możliwości poszczególnych radioteleskopów i pozwala badaczom zbadać niektóre z najbardziej dynamicznych obiekty w wszechświat.

Pasmo fal radiowych pokrywa się również z pasmem mikrofalowym (od 1 milimetra do 1 metra). W rzeczywistości to, co powszechnie się nazywa radioastronomia, jest naprawdę astronomią mikrofalową, chociaż niektóre instrumenty radiowe wykrywają długości fal znacznie przekraczające 1 metr.

Jest to źródłem zamieszania, ponieważ w niektórych publikacjach oddzielnie wyszczególniono pasmo mikrofalowe i pasma radiowe, podczas gdy inni po prostu użyją terminu „radio”, aby objąć zarówno klasyczne pasmo radiowe, jak i kuchenkę mikrofalową zespół muzyczny.

Edytowane i zaktualizowane przez Carolyn Collins Petersen.