Ocena brak

Fale radiowe i grawitacyjne z kosmosu

Autor /Machabeusz123 Dodano /05.06.2013

Niemal wszystkie wiadomości o Wszechświecie zawdzięczamy promieniowaniu elektromagnetycznemu, które ciała niebieskie wysyłają w różnych kierunkach przestrzeni kosmicznej i które po jakimś czasie do nas dociera. Niestety do powierzchni Ziemi dochodzi jedynie promieniowanie widzialne (światło), niewielka część mieniowania nadfioletowego i podczerwonego, a także promieniowanie radiowe w zakresie fal od niewielu milimetrów do około 20-30 metrów. Natomiast promieniowanie gamma, rentgenowskie, przeważająca część promieniowania nadfioletowego i podczerwonego oraz promieniowanie radiowe na falach dłuższych pochłaniane są przez atmosferę Ziemi.

Promieniowanie radiowe w istocie różni się od promieniowania świetlnego tylko długością fali. Jednakże oko ludzkie wrażliwe jest jedynie na promieniowanie elektromagnetyczna w zakresie fal od 4000 do 7000 angstremów (jeden angstrem odpowiada stomilionowej części centymetra), toteż w ciągu wielu stuleci tylko promieniowanie świetlne dostarczało nam informacji o ciałach kosmicznych. Nowe perspektywy przed astronomią zarysowały się dopiero w roku 1887, kiedy fizyk niemiecki Heinrich Hertz (1857-1894) dokonał odkrycia fal radiowych. Parę lat później znany wynalazca amerykański Thomas Alva Edison (1847—1931) i fizyk angielski Oliver Lodge (1851-1940) bezskutecznie usiłowali wykryć promieniowanie radiowe Słońca.

Po raz pierwszy promieniowanie radiowe z kosmosu zostało zauważone przez amerykańskiego uczonego Karola G. Jansky’ego (1905-1950), który w roku 1932 badał radio-trzaski w ziemskiej atmosferze. Stwierdził on wówczas wzmacnianie szumów radiowych w odstępach jednej doby gwiazdowej, gdy przez kierunek anteny przechodziła Droga Mleczna. Gdyby rok 1932 był rokiem dużej aktywności plam słonecznych, Jansky niewątpliwie odkryłby również promieniowanie radiowe Słońca, którego na próżno szukali Edison i Lodge. Ale w owym czasie aktywność słoneczna była bardzo słaba i dlatego zostały odkryte jedynie fale radiowe emitowane przez środek naszej Galaktyki.

Odkrycie dokonane przez Jansky’ego jakoś słabo zainteresowało astronomów. Widocznie jedni nie znali technicznych zagadnień radiotechniki, drudzy zaś nie pojmowali rewolucyjnych aspektów tego odkrycia.

Głębiej zainteresował się nim jedynie amerykański radioamator Grotę Reber, który przez wiele lat był jedynym radioastronomem świata. Wyniki uzyskane przez Jansky’ego potraktował jako zachętę do kontynuowania działania. Cały swój wolny czas i niemałe środki finansowe poświęcił na budowę radioteleskopu ze zwierciadłem parabolicznym o średnicy 9,5 m, ustawiając go w swoim ogródku w miejscowości Wheaton (stan Illinois). Tym skromnym przyrządem, wyposażonym jednak w dość czuły odbiornik, dokonał bardzo cennych obserwacji promieniowania radiowego z kosmosu.

Wkrótce w oparciu o wykonane obserwacje Reber sporządził pierwszą radiową mapę nieba, która ukazywała różnice między niebem widzialnym ia radiowym. Żaden obiekt widzialny poza Słońcem nie był źródłem fal radiowych, natomiast w różnych miejscach Drogi Mlecznej występowały silne radioźródła pozornie bez najmniejszego uzasadnienia.

Niektóre z nich możemy obecnie zidentyfikować jako radiogwiazdy w gwiazdozbiorze Kasjopei, Łabędzia oraz Byka. Wszystkie one nakładają się na ogólne promieniowanie radiowe Drogi Mlecznej.

Wyniki obserwacji dokonanych przez Rebera wywarły na astronomach dużo większe wrażenie niż odkrycie Jansky’ego. Astronomowie amerykańscy usiłowali nawet zapoczątkować systematyczne obserwacje radioastronomiczne, ale przeszkodził im w tym wybuch drugiej wojny światowej. Dopiero po jej zakończeniu radioastronomia zaczęła się bardzo szybko rozwijać i obecnie stanowi rozległą dyscyplinę naukową, ściśle oczywiście związaną z astronomią. Zbudowano potężne radioteleskopy, znacznie większe i doskonalsze od tego, którym posługiwał się Reber. Największe znajdują się w Arecibo na wyspie Puerto Rico (USA) i w pobliżu miejscowości Zielenczukskaja na Kaukazie (ZSRR). Sferyczne zwierciadło pierwszego, zainstalowane nieruchomo na dnie naturalnej kotliny, ma średnicę 305 m i powierzchnię zbierającą około 7,5 ha. Zwierciadło drugiego składa się z 895 płyt metalowych o rozmiarach 7,4x1,9 m, tworzących cylinder o średnicy 576 m i powierzchni zbierającej dochodzącej do około 10 tys. m2.

Zdolność rozdzielcza radioteleskopów jest dużo mniejsza od zdolności rozdzielczej teleskopów optycznych i dlatego niebo w „świetle radiowym” wydaje się nieco rozmyte. O ile bowiem przez teleskop optyczny widzimy gwiazdy w postaci świetlnych punktów, to radioteleskop rejestruje je jako niewielkie krążki. Ale właśnie ta odmienność nieba w „świetle radiowym” stanowi siłę radioastronomii. Promieniowanie ciał niebieskich mówi o procesach fizycznych, jakie zachodzą wewnątrz nich lub na ich powierzchni. A ponieważ różne dane fizyczne objawiają się na różnych długościach fali, toteż fale radiowe informują nas o innych procesach niż fale świetlne. Ponadto w przypadku fal radiowych dysponujemy szerokim zakresem częstotliwości, od fal centymetrowych do fal długości kilkudziesięciu metrów. Dzięki temu widmo radiowe jest źródłem cennych wiadomości o ciałach kosmicznych.

Prócz radioteleskopów, przeznaczonych tylko do odbioru promieniowania radiowego z kosmosu, zastosowanie do różnych badań znajduje w astronomii także aparatura radarowa. Za pomocą stacji radiowej wysyła się do określonych ciał niebieskich impulsy promieniowania, a ich odbicie od tych ciał obserwuje następnie przez tę samą aparaturę. W ten sposób bada się odbite echo radiowe od Księżyca, planet, korony słonecznej i meteoroidów w ziemskiej atmosferze. Pozwala to [38] dokonywać pomiarów odległościowych w Układzie Słonecznym z nieosiągalną dotąd dokładnością. Można również wyznaczać czas rotacji planet, a nawet z grubsza poznawać rzeźbę ich powierzchni.

Widzimy więc, że radioastronomowie badają przeróżne obiekty kosmiczne, począwszy od miligramowych cząstek meteoroidowych, a kończąc na olbrzymich galaktykach i grupach galaktyk. Pierwsze z nich śledzone są zaledwie z odległości 60-70 km, lecz drugie dzieli od nas wiele miliardów lat świetlnych. Niezmierna dogodność badań radioastronomicznych polega i na tym, że obserwacji można dokonywać bez względu na pogodę i porę dnia. Toteż mimo tak krótkiego okresu istnienia radioastronomii posiadamy już mapy nieba w „świetle radiowym”, zawierające tysiące radioźródeł. Radioastronomia umożliwiła też udzielenie odpowiedzi na wiele pytań, które dla poprzednich pokoleń astronomów wydawały się nierozwiązywalnymi zagadkami.

Za pomocą radioteleskopów odkryto obiekty kosmiczne, których istnienie przewidywali teoretycy już przed kilkudziesięciu laty. Mowa tu o pulsarach, będących w rzeczywistości wyżarzonymi gwiazdami o niewielkich rozmiarach, lecz dużej masie. Zbudowane są one z tak gęstej materii, że jeden jej centymetr sześcienny ważyłby na Ziemi miliony ton. Odkryto także obiekty, o istnieniu których nie mieliśmy najmniejszego pojęcia. Są to kwazary, czyli obiekty z wyglądu podobne do gwiazd, wytwarzające jednak miliardy więcej energii od Słońca, a przy tym oddalone od nas o miliardy lat świetlnych. Być może znajdują się one już na rubieżach Wszechświata.

Ale nie jest to kres osiągnięć radioastronomii. Przecież ciągle się ona rozwija i winna nam jeszcze dostarczyć wielu ciekawych informacji o Wszechświecie. Dużo też sobie astronomowie obiecują po grawitonach — jak nazwano hipotetyczne cząstki przenoszące fale grawitacyjne, które mają rozchodzić się z szybkością światła. Do ich odbioru amerykański fizyk Józef Weber używał walców aluminiowych o wadze 3,5 t każdy, zainstalowanych w odległości około 1000 km jeden od drugiego. Chodziło bowiem o to, by z eksperymentu zostały całkowicie wyeliminowane drgania wywołane zarówno przez działalność technologiczną człowieka (przemysł), jak i przez aktywność sejsmiczną skorupy ziemskiej. Poszczególne walce połączone były z czułą aparaturą, zdolną rejestrować ich najmniejsze wibracje. Jednoczesne wystąpienie drgań w przynajmniej dwóch walcach miało oznaczać, że w danej chwili odebrano fale grawitacyjne.

Użyta przez Webera aparatura rejestrowała drgania o wielkości średnicy jądra atomowego. Ale i ta fantastyczna wprost czułość okazała się za mała, by zarejestrować fale grawitacyjne. Mimo to uczeni nie zrezygnowali z ich wykrycia, usiłując cel ten osiągnąć drogą pośrednią, co też niedawno udało się astrofizykom amerykańskim. W roku 1979 Joseph Taylor, Peter Mac Culloch i Les Flower stwierdzili z całą stanowczością, iż mają dowody istnienia fal grawitacyjnych. Przez cztery lata obserwowali oni odkryty w roku 1974 pulsar który wraz z niewidocznym towarzyszem obiega wspólny środek ciężkości w niecałe 8 godzin. Ścisłe pomiary wykazały, że w ciągu tych czterech lat obieg obu składników zgodnie z teorią uległ skróceniu o około 4 tysięczne sekundy! Po prostu emitujący fale grawitacyjne pulsar traci energię, a to powoduje zbliżanie do siebie składników i skracanie okresu ich obiegu.

Tak więc, wprawdzie tylko pośrednio, udowodniono istnienie fal grawitacyjnych. Eksperymentalne ich odkrycie było kwestią czasu i pokonania trudności natury czysto technicznej.

Podobne prace

Do góry