Hoe radiogolven ons helpen het heelal te begrijpen

De Karl Jansky Very Large Array van radiotelescopen bevindt zich in de buurt van Socorro, New Mexico. Deze array richt zich op radio-emissies van een verscheidenheid aan objecten en processen in de lucht. NRAO/AUI

Mensen nemen het universum waar met zichtbaar licht dat we met onze ogen kunnen zien. Toch is er meer in de kosmos dan wat we zien met het zichtbare licht dat van sterren, planeten, nevels en sterrenstelsels stroomt. Deze objecten en gebeurtenissen in het heelal geven ook andere vormen van straling af, waaronder radio-emissies. Die natuurlijke signalen vullen een belangrijk deel van het kosmische in van hoe en waarom objecten in het universum zich gedragen zoals ze doen.

Tech Talk: Radiogolven in de astronomie

Radiogolven zijn elektromagnetische golven (licht), maar we kunnen ze niet zien. Ze hebben golflengten tussen 1 millimeter (een duizendste van een meter) en 100 kilometer (een kilometer is gelijk aan duizend meter). In termen van frequentie komt dit overeen met 300 Gigahertz (één Gigahertz is gelijk aan één miljard Hertz) en 3 kilohertz. Een Hertz (afgekort als Hz) is een veelgebruikte eenheid voor frequentiemeting. Eén Hertz is gelijk aan één frequentiecyclus. Een signaal van 1 Hz is dus één cyclus per seconde. De meeste kosmische objecten zenden signalen uit met honderden tot miljarden cycli per seconde.

Mensen verwarren 'radio'-uitstraling vaak met iets dat mensen kunnen horen. Dat komt grotendeels omdat we radio's gebruiken voor communicatie en entertainment. Maar mensen 'horen' geen radiofrequenties van kosmische objecten. Onze oren kunnen frequenties waarnemen van 20 Hz tot 16.000 Hz (16 KHz). De meeste kosmische objecten zenden uit met Megahertz-frequenties, die veel hoger zijn dan het oor kan horen. Daarom wordt vaak gedacht dat radioastronomie (samen met röntgen, ultraviolet en infrarood) een 'onzichtbaar' universum onthult dat we niet kunnen zien of horen.

Bronnen van radiogolven in het heelal

Radiogolven worden meestal uitgezonden door energetische objecten en activiteiten in het universum. De Zon is de dichtstbijzijnde bron van radio-emissies buiten de aarde. Jupiter zendt ook radiogolven uit, net als gebeurtenissen bij Saturnus.

Een van de krachtigste bronnen van radio-emissie buiten het zonnestelsel en buiten het Melkwegstelsel, is afkomstig vanactieve sterrenstelsels(AGN). Deze dynamische objecten worden mogelijk gemaakt door: superzware zwarte gaten in hun kern. Bovendien zullen deze zwart-gatmotoren enorme materiaalstralen creëren die helder gloeien met radio-emissies. Deze kunnen vaak de hele melkweg in radiofrequenties overtreffen.

pulsars , of roterende neutronensterren, zijn ook sterke bronnen van radiogolven. Deze sterke, compacte objecten ontstaan ​​wanneer massieve sterren sterven als supernova's . Ze zijn de tweede alleen voor zwarte gaten in termen van ultieme dichtheid. Met krachtige magnetische velden en hoge rotatiesnelheden zenden deze objecten een breed spectrum van straling , en ze zijn bijzonder 'helder' in de radio. Net als superzware zwarte gaten worden krachtige radiostralen gecreëerd, afkomstig van de magnetische polen of de draaiende neutronenster.

Veel pulsars worden 'radiopulsars' genoemd vanwege hun sterke radiostraling. In feite zijn gegevens van de Fermi Gamma-ray Ruimtetelescoop toonde bewijs van een nieuw soort pulsars die het sterkst lijkt in gammastraling in plaats van de meer gebruikelijke radio. Het proces van hun creatie blijft hetzelfde, maar hun emissies vertellen ons meer over de energie die bij elk type object betrokken is.

Supernovaresten zelf kunnen bijzonder sterke zenders van radiogolven zijn. De Krabnevel staat bekend om zijn radiosignalen die: gealarmeerde astronoom Jocelyn Bell aan zijn bestaan.

Radioastronomie

Radioastronomie is de studie van objecten en processen in de ruimte die radiofrequenties uitzenden. Elke tot nu toe gedetecteerde bron is een natuurlijk voorkomende. De emissies worden hier op aarde opgevangen door radiotelescopen. Dit zijn grote instrumenten, omdat het detectorgebied groter moet zijn dan de detecteerbare golflengten. Aangezien radiogolven groter kunnen zijn dan een meter (soms veel groter), is het bereik doorgaans meer dan enkele meters (soms 30 voet of meer). Sommige golflengten kunnen zo groot zijn als een berg, en daarom hebben astronomen uitgebreide reeksen radiotelescopen gebouwd.

Hoe groter het verzamelgebied, vergeleken met de golfgrootte, hoe beter de hoekresolutie van een radiotelescoop. (Hoekresolutie is een maatstaf voor hoe dichtbij twee kleine objecten kunnen zijn voordat ze niet van elkaar te onderscheiden zijn.)

Radio-interferometrie

Aangezien radiogolven zeer lange golflengten kunnen hebben, moeten standaard radiotelescopen erg groot zijn om enige vorm van precisie te verkrijgen. Maar aangezien het bouwen van radiotelescopen ter grootte van een stadion onbetaalbaar kan zijn (vooral als je wilt dat ze enig stuurvermogen hebben), is er een andere techniek nodig om de gewenste resultaten te bereiken.

Radio-interferometrie, ontwikkeld in het midden van de jaren veertig, heeft tot doel het soort hoekresolutie te bereiken dat zou komen van ongelooflijk grote schotels zonder de kosten. Dit bereiken astronomen door meerdere detectoren parallel aan elkaar te gebruiken. Elk bestudeert hetzelfde object op hetzelfde moment als de anderen.

Door samen te werken, werken deze telescopen in feite als één gigantische telescoop ter grootte van de hele groep detectoren samen. De Very Large Baseline Array heeft bijvoorbeeld detectoren die 8.000 mijl uit elkaar liggen. Idealiter zou een reeks van vele radiotelescopen op verschillende scheidingsafstanden samenwerken om de effectieve grootte van het verzamelgebied te optimaliseren en de resolutie van het instrument te verbeteren.

Met de creatie van geavanceerde communicatie- en timingtechnologieën is het mogelijk geworden om telescopen te gebruiken die op grote afstand van elkaar bestaan ​​(vanaf verschillende punten over de hele wereld en zelfs in een baan om de aarde). Deze techniek, bekend als Very Long Baseline Interferometry (VLBI), verbetert de mogelijkheden van individuele radiotelescopen aanzienlijk en stelt onderzoekers in staat om enkele van de meest dynamische objecten in de universum .

Radio's relatie met microgolfstraling

De radiogolfband overlapt ook met de microgolfband (1 millimeter tot 1 meter). In feite, wat gewoonlijk wordt genoemd radioastronomie , is eigenlijk microgolfastronomie, hoewel sommige radio-instrumenten golflengten van veel meer dan 1 meter detecteren.

Dit is een bron van verwarring, aangezien in sommige publicaties de microgolfband en de radiobanden afzonderlijk worden vermeld, terwijl andere de term 'radio' gewoon gebruiken om zowel de klassieke radioband als de microgolfband te omvatten.

Bewerkt en bijgewerkt doorCarolyn Collins Petersen.