Słuchanie wszechświata: przyszłość radiowej astronomii

Podobnie jak ich optyczni poprzednicy, radioteleskopy powstały w wyniku połączenia pomysłowości, ciekawości i szczęścia. Ale wciąż była różnica. Pod koniec XIX wieku kilku znanych naukowców bezskutecznie próbowało przechwycić kosmiczne sygnały radiowe. Ale pierwsze szczęście przypadło zwykłemu inżynierowi, który z początku nawet nie myślał o zjawiskach niebieskich.

Od czasu pojawienia się teleskopu w 1609 roku przez ponad trzysta lat badacze nieba używali instrumentów, które działają tylko w widzialnej części spektrum elektromagnetycznego, otoczonego wąskimi odcinkami promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego. Dopiero w latach 30. pojawiły się instrumenty zdolne do rejestrowania sygnałów kosmicznych w zakresach licznika, decymetra i centymetra. Tak narodziła się nowa gałąź nauki o kosmosie - radioastronomia.

U źródła

W pamiętny dzień 1886 roku 29-letni profesor fizyki eksperymentalnej w Instytucie Technicznym w Karlsruhe, Heinrich Rudolf Hertz, w obecności swojej żony, przygotowywał demonstrację eksperymentu dotyczącego przejścia prądu pulsacyjnego przez otwarty obwód oscylacyjny w zaciemnionej publiczności. Po zakończeniu montażu włączył generator indukcyjny, aby podziwiać piękne wyładowanie iskrowe. Tak się złożyło, że niezamknięty miedziany pierścień leżał z jednym końcem na jednym końcu i kulą na drugim. Zarówno sam Hertz, jak i jego młoda żona zauważyli, że iskra jednocześnie przeskakiwała zarówno w obwodzie, jak i wewnątrz tej szczeliny.

Później historycy nauki odkryli, że przed Hertzem zjawisko to zaobserwowało co najmniej pięciu fizyków. Jednak tylko on był tak zainteresowany tajemniczym efektem, że zaczął go badać. W rezultacie Hertz doszedł do wniosku, że eksperymentalnie otrzymał fale elektromagnetyczne, przewidywane na początku lat 60. XIX wieku przez twórcę klasycznej elektrodynamiki, Jamesa Maxwella.

Patrząc w niebo Okna przezroczystości (patrz pasek boczny „Okna atmosferyczne”) są spowodowane oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fal z różnymi warstwami atmosfery. Promieniowanie rentgenowskie i gamma osiąga wysokość jedynie 30–40 km, a większość zakresu UV pochłania warstwa ozonowa na wysokości około 30 km. Pierwsze wąskie okno przezroczystości przesyła światło widzialne z sąsiadującym promieniowaniem UV i bliską podczerwienią, w którym atmosfera ma kilka wąskich okien, ze względu na mechanizmy absorpcji promieniowania przez cząsteczki wody i dwutlenku węgla. Większość zakresu podczerwieni jest absorbowana przez parę wodną, ​​dwutlenek węgla i tlen zawarty w dolnej atmosferze. Następnie, w skali długości fali od 1 cm do 30 m, następuje szerokie okno radio-przezroczyste. Dłuższe fale radiowe są odbijane przez jonosferę.

Rewelacyjne odkrycie „fal Hertza” (jak je wtedy nazywano) wzbudziło zainteresowanie odkryciem ich kosmicznych źródeł. Najwyraźniej pierwszy taki pomysł uderzył Thomasa Edisona. W 1890 r. Jego asystent, Arthur Kennelly, napisał do dyrektora Obserwatorium Licka, że ​​jego szef chciał zarejestrować promieniowanie długofalowe Słońca za pomocą kilku drutów otaczających kawałek rudy żelaza. Najwyraźniej ten egzotyczny detektor nigdy nie został zmontowany (ale nie zadziałałby). Następnie Kennelly został wybitnym inżynierem elektrykiem, profesorem na Harvard i Massachusetts Technological. W 1902 roku on i Anglik Oliver Heaviside jednocześnie postawili hipotezę, że w atmosferze była wysoko zjonizowana warstwa (która została później odkryta i nazwana jego imieniem w latach dwudziestych przez warstwę Heaviside-Kennelly). Ale Kennelly nie został założycielem radioastronomii.

W latach 1897–1900 słynny angielski fizyk Oliver Lodge zaangażował się w poszukiwanie emisji radia słonecznego w Liverpoolu. Detektor Lodge mógł w zasadzie odbierać promieniowanie centymetrowe przechodzące przez jonosferę. Jednak czułość urządzenia była niska, a poza tym nie była wystarczająco chroniona przed szumem elektrycznym. Niemieccy astrofizyk Johann Wilsing i Julius Scheiner, którzy również polowali na słoneczne fale radiowe, również ponieśli porażkę. Wreszcie, byli zainteresowani Guglielmo Marconi - i również bezskutecznie.

W XX wieku poszukiwania kosmicznych sygnałów radiowych całkowicie się zatrzymały. Być może stało się tak, ponieważ pod koniec 1900 r. Max Planck zaprezentował słynną formułę opisującą spektrum całkowicie czarnego ciała. Zgodnie ze wzorem Plancka emisja radiowa powierzchni Słońca ogrzanej do około 6000 K, nawet w zakresie centymetrów (nie wspominając o dłuższych długościach fal), jest tak słaba, że ​​nie można jej wykryć za pomocą istniejących instrumentów. To prawda, że ​​wniosek ten dotyczy wyłącznie termicznej emisji radiowej, jednak inne mechanizmy generowania kosmicznych fal radiowych w tamtych czasach po prostu nie były brane pod uwagę. Zasadniczo z tego czy innego powodu radioastronomia nie miała wówczas miejsca.

Operator telefoniczny

W 1927 r. Bell uruchomił pierwszy na świecie transatlantycki radiotelefon. Połączenie było niedoskonałe z powodu wielu zakłóceń, a 23-letni fizyk Karl Jansky został poinstruowany, aby dowiedzieć się o ich przyczynie. Aby rozwiązać ten problem, zamontował dziesięć pionowych prostokątnych anten pętlowych w Holmdell, New Jersey, połączył je w jednym obwodzie i zamontował na obrotowej 30-metrowej ramie. Ten system został dostrojony do odbioru sygnałów o częstotliwości 20, 5 MHz (14, 6 m).

W 1930 r. Jansky znalazł dwa oczywiste i przewidywalne źródła zakłóceń - burze bliskie i odległe. Ale w jego słuchawkach ciągle słychać było ciche syczenie, którego przyczyny nie można było wyjaśnić. W 1932 r. Yansky odkrył, że tajemnicza interferencja zmieniała się wraz z częstotliwością dni gwiazdowych (23 godziny 56 minut) i dlatego miała miejsce poza Układem Słonecznym. Później stało się jasne, że promieniowanie pochodzi z Drogi Mlecznej - innymi słowy z płaszczyzny naszej Galaktyki.

Naukowiec miał szczęście: właśnie wtedy gęstość plam słonecznych utrzymywała się na minimalnym poziomie, a nocą jonosfera dobrze przechodziła fale 15-metrowe. W okresie aktywnego Słońca karuzela Jansky byłaby bezużyteczna.

Odkrycie fal międzygwiezdnych, jak je nazywał Jansky, spowodowało znaczny hałas - w maju 1933 r. Nawet New York Times poinformował o tym. Naukowiec próbował przekonać zarząd „Bell” do zbudowania 30-metrowej anteny satelitarnej i poważnego zaangażowania się w kosmiczne sygnały radiowe. Ale menedżerowie nie okazali hojności i przenieśli Yansky'ego do innego projektu. Obserwatoria astronomiczne również nie miały dodatkowych pieniędzy i chęci wydawania pieniędzy na sprzęt radiowy. Po zaprezentowaniu swoich wyników w czterech artykułach (dwa w czasopiśmie inżynieryjnym, jeden w popularnej astronomii i jeden w naturze), Jansky pożegnał się z radioastronomią.

Niemniej jednak sprawa Jansky'ego nie zniknęła. Fizyk z Uniwersytetu Michigan John Kraus i młody inżynier radiowy Groot Reber zwrócił uwagę na jego pracę. Pierwszy już w 1933 r. Zbudował mały radioteleskop z anteną odblaskową, ale nie mógł niczego złapać z powodu niskiej czułości odbiornika. Po II wojnie światowej założył Radio Astronomy Observatory na Ohio University i napisał klasyczny podręcznik na temat nowej nauki. W 1937 r. Reber zbudował pierwszy na świecie radioteleskop z obrotową anteną paraboliczną na pustkowiu obok domu jego rodziców, rozpoczął regularne obserwacje, aw 1942 r. Opublikował mapę nieba radiowego na półkuli północnej. W tym samym 1942 r. Anglik James Hay przechwycił słoneczne sygnały radiowe; W latach 1942–1943 Reber i Gerald Southworth, znany amerykański inżynier radiowy, wynalazca falowodu, prowadzili nadzór radiowy nad Słońcem. Następnie twórcy niemieckich radarów zauważyli odbicie fal radiowych z powierzchni księżyca, które stało się znane dopiero po wojnie.

Nauka

Szybki rozwój radioastronomii rozpoczął się po drugiej wojnie światowej (było to znacznie ułatwione przez rozwój technologii, które powstały podczas prac nad radarami). Najpierw w Wielkiej Brytanii, a następnie w innych krajach zaczęli budować teleskopy z antenami o rozmiarach dziesiątków metrów - najpierw stacjonarne, a następnie obrotowe. Wkrótce pojawiły się systemy z kilku połączonych radioteleskopów - interferometry radiowe. Takie innowacje w połączeniu z nowym sprzętem do wzmacniania i filtrowania sygnałów radiowych znacznie poprawiły czułość teleskopów radiowych i ich rozdzielczość kątową. Radioastronomia stopniowo przekształciła się w „wielką” naukę, zdolną nie tylko do rejestrowania kosmicznych źródeł fal radiowych, ale także przekształcania wszystkich badań zjawisk niebieskich. W latach 60. stała się tak poważną dyscypliną naukową jak astronomia optyczna.


Okna atmosferyczne

Atmosfera ziemska nie przepuszcza promieniowania elektromagnetycznego z kosmosu. Jest przezroczysty dla fal o długości od 300 do 1500 nm - jest to cały zakres optyczny z przylegającymi obszarami ultrafioletu i bliskiej podczerwieni (w regionach górskich o suchym klimacie okno podczerwieni jest szersze). W atmosferze znajduje się inna strefa przezroczystości, zawierająca fale o długości od 1 cm do 30 m. Większe fale są odbijane lub opóźniane przez jonosferę, podczas gdy fale milimetrowe i submilimetrowe są absorbowane przez atmosferę (ale na przykład w tym zakresie jest kilka wąskich okien około 8 mm, przez które może wystrzelić radioteleskop). Wszystkie inne emisje można wykryć w bardzo suchych strefach na dużych wysokościach, takich jak chilijska pustynia Atakama (fale o długości do 0, 3 mm są tam dobrze rejestrowane), albo z balonu stratosferycznego, albo z kosmosu.

Oto tylko jeden przykład pokazujący jej postępy. Największy teleskop optyczny z połowy XX wieku, 200-calowy reflektor Obserwatorium Palomar, zapewniał optymalną rozdzielczość kątową około 0, 5 sekundy łukowej w optymalnych warunkach atmosferycznych (obecnie, dzięki adaptacyjnej optyce i cyfrowemu sprzętowi wideo, jego rozdzielczość prawie osiągnęła teoretyczną granicę 0, 02 s) . System teleskopowy Obserwatorium Europy Południowej, działający na zasadzie interferometru optycznego, daje rozdzielczość 1 ms - 500 razy lepszą. Zobaczmy teraz, jak wzrosły możliwości obserwacyjne radioastronomii. Niegdyś największy na świecie teleskop tranzytowy Obserwatorium Brytyjskiego, Jodrell Bank (oddany do użytku w 1947 r., Średnica anteny parabolicznej 66 m) pozwolił na osiągnięcie rekordowej w tym czasie rozdzielczości 1 stopnia. Od maja 1993 r. Amerykańska sieć dziesięciu zintegrowanych teleskopów radiowych Very Long Baseline Array (osiem anten w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych, jedna na Hawajach i jedna na karaibskiej wyspie Saint-Croix) daje rozdzielczość do 0, 0002 sekundy łukowej. Oznacza to, że rozdzielczość teleskopów radiowych wzrosła 18 milionów razy! I to bez uwzględnienia postępu w oprzyrządowaniu teleskopów radiowych i komputeryzacji ich pracy, której początek miał miejsce w latach 60. XX wieku. Wkrótce pojawią się absolutnie fantastyczne systemy, które łączą międzykontynentalne sieci naziemnych radioteleskopów ze sprzętem radiowym na platformach kosmicznych. Według obliczeń granica rozdzielczości takich interferometrów radiowych z przestrzeni kosmicznej osiągnie dziesięć milionów (lub nawet sto milionów) sekundy.

Ojciec radioastronomii, Groot Reber (1911–2002), urodził się i wychował w Wheaton, na przedmieściach Chicago. W 1933 r. Uzyskał dyplom inżynierii radiowej w Armor Institute of Technology, a jednocześnie zainteresował się odkryciem Karla Jansky'ego. W wolnym czasie zbudował na własnym podwórku radioteleskop. W 1937 roku ukończył studia i uruchomił pierwszy na świecie radioteleskop z obrotową anteną paraboliczną o średnicy 9, 5 metra. Pracując w nocy (w ciągu dnia zapobiegły mu wyładowania iskrowe z samochodowych świec zapłonowych), w 1938 roku otrzymał pierwsze kosmiczne sygnały radiowe z naszej galaktyki - Drogi Mlecznej - w zakresie częstotliwości 160 MHz. Przez kilka lat prowadził regularne obserwacje, a na początku lat 40. opublikował pierwszą mapę nieba półkuli północnej w zasięgu radiowym. Później teleskop Reber został przekazany do National Radio Astronomy Observatory w Green Bank, West Virginia, gdzie obecnie znajduje się jako eksponat muzealny. Od końca lat 50. XX wieku aż do swojej śmierci 20 grudnia 2002 r. Reber mieszkał i pracował w Tasmanii, której położenie geograficzne i klimat sprzyjają radioastronomii fal długofalowych.

Od przeszłości do przyszłości

„Główną zaletą radioastronomii jest to, że znacznie zwiększyła możliwości uzyskiwania informacji o przestrzeni kosmicznej. Astronomowie od dziesiątek stuleci patrzą na świat przez wąskie okno światła widzialnego i jego bezpośrednie otoczenie. Pojawienie się radioteleskopów pozwoliło nam wyjść poza te ramy i otworzyło drogę do nowoczesnej astronomii wszystkich fal ”, powiedział Popular Lawics, Fred Law, dyrektor American National Radio Astronomy Observatory. - Teleskopy radiowe rejestrowały promieniowanie synchrotronowe powstające w wyniku ruchu relatywistycznych elektronów w silnych polach magnetycznych otaczających supermasywne czarne dziury w jądrach galaktycznych. Otwory te wirują i przyciągają otaczający kosmiczny gaz, jednocześnie wyrzucając dwa strumienie, dwa wielokierunkowe strumienie naładowanych cząstek w przestrzeń kosmiczną. Gdy odrzutowiec porusza się w kierunku Ziemi, obserwujemy źródło zwane kwazarem. Kiedy dżety są prostopadłe do kierunku Ziemi, nazywamy takie źródło galaktyką radiową. Jeśli dżety silnie oddziałują z zjonizowanym gazem wokół czarnej dziury, galaktyka świeci zarówno w zakresie radiowym, jak iw podczerwieni, świetle widzialnym, ultrafiolecie i promieniach rentgenowskich (takie galaktyki nazywane są galaktykami Seyferta). To właśnie radioastronomia zawdzięczamy przede wszystkim faktowi, że w zasadzie zrozumieliśmy naturę aktywnych jąder galaktycznych otaczających czarne dziury. Wcześniej uważano, że procesy kosmiczne są w większości napędzane energią termojądrową fuzji i wybuchów gwiazdowych. W ostatnich dziesięcioleciach zdaliśmy sobie sprawę z gigantycznej roli energii grawitacyjnej, której źródłem są po prostu czarne dziury. To bardzo poważny przełom, prawdziwa rewolucja naukowa ”.

Teleskopy radiowe Big Ear 17 zlokalizowane na całym świecie mogą działać w czasie rzeczywistym jako pojedynczy ultra-długi podstawowy interferometr radiowy (e-VLBI, elektroniczna bardzo długa interferometria linii bazowej).

„Na drugim miejscu postawiłbym tworzenie molekularnego obrazu wszechświata”, kontynuuje dr Law. - Radioastronomia odkryła gigantyczne chmury kosmicznego wodoru, nie wspominając o bardziej złożonych cząsteczkach. Astronomia optyczna bardzo dobrze śledzi gwiazdy, ale niewiele mówi o ośrodku międzygwiezdnym. Radioastronomia pozwala również obserwować grawitacyjne kondensacje zimnych chmur gazowych, podczas których rodzą się gwiazdy i powstają galaktyki. Oczywiście były też inne niezwykłe osiągnięcia, na przykład odkrycie pulsarów i mikrofalowego promieniowania mikrofalowego - również zasługa radioastronomów ”.


Kosmiczne źródła fal radiowych

Jeśli astronomowie mówią o falach radiowych, mają na myśli promieniowanie elektromagnetyczne od submilimetru do zasięgu w metrach (a nawet kilometrach). Mają kilka źródeł:

1. Niespolaryzowane promieniowanie cieplne powstające w wyniku chaotycznego ruchu naładowanych cząstek. Pozwala wykryć bardzo zimne kosmiczne chmury gazu, złożone głównie z obojętnych cząsteczek wodoru i tlenku węgla. Ich rozmiary sięgają tysięcy lat świetlnych, a masa - miliony mas Słońca. W typowej temperaturze 10 K maksimum ich promieniowania cieplnego występuje przy długości fali 0, 5 milimetra. Spektrum promieniowania cieplnego niezamrożonych obiektów (w szczególności gorących, a zatem zjonizowanych chmur gazu otaczających młode gwiazdy) jest przesunięte w kierunku krótszych fal, więc ich maksimum nie znajduje się już w zasięgu radiowym. Niemniej jednak ma długi ogon, dzięki czemu fale radiowe są emitowane nawet przez gwiazdy, w tym nasze Słońce.

2. Spolaryzowane promieniowanie hamowania magnetycznego spowodowane ruchem spiralnym wolnych jonów, protonów i elektronów w polach magnetycznych przestrzeni kosmicznej. Jeśli prędkość cząstek jest znacznie niższa niż światło, promieniowanie takie nazywa się cyklotronem, jeśli jest blisko światła - synchrotronem (to on dominuje w tego rodzaju kosmicznych falach radiowych). Promieniowanie cyklotronowe jest kierowane we wszystkich kierunkach, podczas gdy promieniowanie synchrotronowe rozchodzi się w wąskiej wiązce wzdłuż chwilowej prędkości cząstki. Jasność promieniowania cieplnego maleje wraz ze wzrostem długości fali, a jasność synchrotronu wzrasta.

3. Promieniowanie fal plazmowych generowanych w atmosferach gwiazd i planet (zwykle z udziałem pól magnetycznych). Na przykład Jowisz, oprócz termicznej emisji radiowej, wytwarza wybuchy spolaryzowanych fal radiowych generowanych przez ruch naładowanych cząstek w górnej atmosferze. Źródłem takich fal radiowych jest plazma słoneczna.

4. Promieniowanie spowodowane oddziaływaniem spinowych momentów magnetycznych jądra i elektronu w atomach wodoru. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej momenty te mogą być równoległe lub antyrównoległe, aw pierwszym przypadku energia atomu jest większa niż w drugim. При переходе электрона из первого состояния во второе рождается квант с частотой 1420, 4 МГц, что соответствует длине волны 21, 1 см (правда, спектральные линии всегда несколько размыты из-за допплеровского уширения, вызванного движением атомов). В 1944 году существование такого излучения предсказал аспирант Утрехтского университета Хендрик ван де Хулст; спустя семь лет его зарегистрировали одновременно в Австралии, Голландии и США. Радиоастрономы наблюдают также излучения водородных и прочих нейтральных атомов, обусловленные иными электронными переходами.

5. Излучение, которое возникает при квантовых переходах между внутренними состояниями молекул космических газов и обычно лежит в сантиметровой и миллиметровой зонах (сейчас известно около полутора сотен таких молекул, и с каждым годом их становится больше и больше). Сюда же относится и открытое в 1965 году излучение космических мазеров. Оно возникает, если молекулы в очень плотных газовых облаках поглощают звездное излучение (в основном, инфракрасное) и переходят в состояния с повышенной энергией. Резонансное излучение той же частоты, проходя через такую среду, индуцирует массовый переход молекул в нижнее энергетическое состояние — это и есть космический мазер. К настоящему времени известны два вида межзвездных мазеров, водяные и гидроксильные, однако аналогичный эффект зарегистрирован еще для нескольких молекул.

6. Реликтовое микроволновое излучение, пронизывающее весь Космос и несущее информацию о Большом Взрыве. В нашу эпоху его спектр соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2.725 K, так что (в соответствии с формулой Планка) максимум спектральной интенсивности приходится на длину волны 1, 9 мм.

Конечно, предсказывать будущее достаточно сложно, но, по мнению Фреда Ло, прогресс радиоастрономии будет, как и раньше, определяться обновлением ее инструментария: «В Чили на севере пустыни Атакама на высоте 5 км строится ALMA — сеть из нескольких десятков интегрированных 12-метровых антенн. В этом международном проекте задействована и наша Национальная радиоастрономическая обсерватория. Он стал осуществляться в 2003 году, а в 2012-м ALMA вступит в действие. Эта обсерватория будет работать на миллиметровых и субмиллиметровых волнах с угловым разрешением в одну десятую угловой секунды. Она сможет значительно обогатить наши знания о динамике молекулярного газа в центре нашей Галактики, о формировании прото-звезд и протопланетных дисков, об атмосферах экзопланет и о многом-многом другом. Мы собираемся также модернизировать принадлежащую нашей обсерватории радиоинферометрическую систему VLA в штате Нью-Мексико.

Чувствительность ее аппаратуры возрастет десятикратно, а угловое разрешение на верхнем частотном пределе в 50 ГГц достигнет 0, 004 угловой секунды. Это будет поистине фантастический инструмент, и мы ждем от него многого. В частности, информации о том, что происходило в темную эпоху Вселенной, когда материя в ее известных формах уже возникла и стабилизировалась, но первые звезды еще не родились. Есть еще немало интересных проектов будущих обсерваторий, всего не перечислишь. Скажем, китайские ученые планируют в ближайшем будущем построить крупнейший в мире радиотелескоп с неподвижной антенной диаметром в полкилометра».

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 8, sierpień 2009).

Zalecane

8 niesamowitych rekordów świata
2019
Pod hipnozą: prawda i mity o hipnozie
2019
Dope Abundance: Eat - Don't Want To!
2019