Hur radiovågor hjälper oss att förstå universum

Människor uppfattar universum med synligt ljus som vi kan se med våra ögon. Ändå finns det mer i kosmos än vad vi ser med det synliga ljuset som strömmar från stjärnor, planeter, nebulosor och galaxer. Dessa objekt och händelser i universum avger också andra former av strålning, inklusive radioutsläpp. Dessa naturliga signaler fyller i en viktig del av kosmiken i hur och varför objekt i universum beter sig som de gör.

Tech Talk: Radio Waves in Astronomy

Radiovågor är elektromagnetiska vågor (ljus), men vi kan inte se dem. De har våglängder mellan 1 millimeter (en tusendels meter) och 100 kilometer (en kilometer är lika med tusen meter). Vad gäller frekvens motsvarar detta 300 Gigahertz (en Gigahertz är lika med en miljard Hertz) och 3 kilohertz. En Hertz (förkortad Hz) är en vanlig frekvensmätningsenhet. En Hertz är lika med en frekvenscykel. Så en 1-Hz signal är en cykel per sekund. De flesta kosmiska föremål avger signaler med hundratals till miljarder cykler per sekund.

Folk förväxlar ofta "radio" -utsläpp med något som människor kan höra. Det beror till stor del på att vi använder radio för kommunikation och underhållning. Men människor "hör inte" radiofrekvenser från kosmiska föremål. Våra öron kan känna frekvenser från 20 Hz till 16 000 Hz (16 KHz). De flesta kosmiska föremål avger vid Megahertz-frekvenser, vilket är mycket högre än örat hör. Det är därför radioastronomi (tillsammans med röntgen, ultraviolett och infraröd) ofta tros avslöja ett "osynligt" universum som vi varken kan se eller höra.

Källor till radiovågor i universum

Radiovågor avges vanligtvis av energiska föremål och aktiviteter i universum. Solen är den närmaste källan till radioutsläpp utanför jorden. Jupiter avger också radiovågor, liksom händelser som inträffar i Saturnus.

En av de mest kraftfulla källorna till radioutsläpp utanför solsystemet, och bortom Vintergalaxen, kommer från aktiva galaxer (AGN). Dessa dynamiska föremål drivs av supermassiva svarta hål vid deras kärnor. Dessutom kommer dessa svarthålsmotorer att skapa massiva strålar av material som lyser ljust med radioutsläpp. Dessa kan ofta överträffa hela galaxen i radiofrekvenser.

Pulsars, eller roterande neutronstjärnor, är också starka källor till radiovågor. Dessa starka, kompakta föremål skapas när massiva stjärnor dör som supernovaer. De är bara andra svarta hål när det gäller den ultimata tätheten. Med kraftfulla magnetfält och snabba rotationshastigheter avger dessa objekt ett brett spektrum av strålning, och de är särskilt "ljusa" i radio. Liksom supermassiva svarta hål skapas kraftfulla radiostrålar som kommer från magnetpolerna eller den snurrande neutronstjärnan.

Många pulsars kallas "radiopulsars" på grund av deras starka radioemission. I själva verket visade data från Fermi Gamma-ray Space Telescope bevis på en ny ras av pulsars som verkar starkast i gammastrålar istället för den vanligare radion. Processen för att skapa dem förblir densamma, men deras utsläpp berättar mer om energin i varje typ av objekt. 

Supernova-resterna kan vara särskilt starka radiovågor. Crab Nebula är känd för sina radiosignaler som varnade astronomen Jocelyn Bell mot dess existens. 

Radioastronomi

Radioastronomi är studiet av objekt och processer i rymden som avger radiofrekvenser. Varje källa som hittats hittills är en naturligt förekommande. Utsläppen plockas upp här på jorden av radioteleskop. Dessa är stora instrument, eftersom det är nödvändigt för detektorområdet att vara större än de detekterbara våglängderna. Eftersom radiovågor kan vara större än en meter (ibland mycket större) är områdena vanligtvis över flera meter (ibland 30 fot över eller mer). Vissa våglängder kan vara lika stora som ett berg, och astronomer har därför byggt utsträckta matriser med radioteleskop. 

Ju större insamlingsområdet är, jämfört med vågstorleken, desto bättre vinkellösning har ett radioteleskop. (Vinkelupplösning är ett mått på hur nära två små föremål kan vara innan de inte kan skiljas.)

Radiointerferometri

Eftersom radiovågor kan ha mycket långa våglängder måste standardradioteleskop vara mycket stora för att få någon form av precision. Men eftersom det är kostnadseffektivt att bygga radioteleskop i stadionstorlek (särskilt om du vill att de alls ska ha styrstyrning), behövs en annan teknik för att uppnå önskade resultat.

Utvecklad i mitten av 1940-talet syftar radiointerferometri till att uppnå den typ av vinkellösning som skulle komma från otroligt stora diskar utan bekostnad. Astronomer uppnår detta genom att använda flera detektorer parallellt med varandra. Var och en studerar samma objekt samtidigt som de andra.

Genom att arbeta tillsammans fungerar dessa teleskoper effektivt som ett jätte-teleskop som är storleken på hela gruppen detektorer tillsammans. Till exempel har Very Large Baseline Array detektorer med 8 000 miles från varandra. Helst skulle en mängd många radioteleskop på olika separationsavstånd fungera tillsammans för att optimera den effektiva storleken på insamlingsområdet och förbättra instrumentets upplösning.

Med skapandet av avancerade kommunikations- och timingtekniker har det blivit möjligt att använda teleskop som finns på stora avstånd från varandra (från olika punkter runt om i världen och till och med i omloppsbana runt jorden). Känd som VLBI (Very Long Baseline Interferometry) förbättrar denna teknik avsevärt kapaciteten hos enskilda radioteleskop och gör det möjligt för forskare att undersöka några av de mest dynamiska föremålen i universum.

Radios förhållande till mikrovågsstrålning

Radiovågbandet överlappar också mikrovågsbandet (1 millimeter till 1 meter). I själva verket, vad som vanligtvis kallas radioastronomi, är verkligen mikrovågsastronomi, även om vissa radioinstrument upptäcker våglängder mycket över 1 meter.

Detta är en källa till förvirring eftersom vissa publikationer listar mikrovågsbandet och radiobanden separat, medan andra helt enkelt använder termen "radio" för att inkludera både det klassiska radiobandet och mikrovågsbandet..

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.