Radio astronomija

Energija sa Sunca i drugih zvezda ili oblasti kosmosa proučavanog u radio astronomiji, odnosi se na elektromagnetno zračenje koje je izazvano emisijom i akceleracijom naelektrisanih čestica koje polaze od izvora krećući se kroz električna i magnetna polja.

Ove čestice se karakterišu različitim talasnim dužinama (λ) i klasifikuju u opsezima i elektromagnetnom spektru (EMS). Iz mnoštva ovih različitih frekvencija, možemo odrediti i frekvenciju (ν) emitovanog zračenja. Talasna dužina je najkraća razdaljina između dve tačke talasa, gde se talasni obrazac kontinualno ponavlja, dok je frekvencija određena brojem talasa koji prolaze datu tačku u određenom vremenskom intervalu. Jedinica frekvencije (Hz), nazvana je po Hajnrihu Hercu (Heinrich Hertz), pioniru u proučavanju EMS. Frekvencija i talasna dužina su matematički povezane; kako se talasna dužina smanjuje, frekvencija i energija se povećavaju. Sve vrste elektromagnetnih talasa putuju brzinom svetlosti (c), a ova veza je ilustrovana i primerom sledeće jednačine.



Kako bismo postigli povećanje osetljivosti rezolucije teleskopa, možemo sagraditi veće antene (do praktičnog limita). Strukturnim limitima, najveći teleskopi ne prelaze nekoliko stotina metara u prečniku. Što je veća površina tanjira, to je veći broj tehničkih izazova oko mehaničke čvrstoće, naročito ukoliko želimo da tako veliki teleskop usmerimo u željenom pravcu. Najveći radio teleskop Aresibo, nalazi se u Portoriku (Arecsibo, Puerto Rico), i prečnika je 308m.

Kao što možemo videti, naš vizuelni sistem, iako deluje jedinstveno što se posmatranja naše stvarnosti tiče, ipak nam pokazuje samo delić kompleksnosti našeg sveta. Kada razmotrimo sve ostale načine za osmatranje i detekciju prirodnih pojava oko nas, vidimo da je broj kombinacija koje smo koristili kako bismo objasnili te pojave nepotpun i da zahteva precizno uključivanje i drugih vidova snimanja i detekcije zračenja, koje, zajedno sa onim kojima smo već ovladali ili koje posedujemo rođenjem, mogu pružiti daleko bolje uvide u istraživanju kako naše planete, tako i kosmosa.


h=6.63∙10-27 erg/sec poznatije kao „Plankova konstanta“ gde je erg jedinica energije

Talas u EMS takođe karakteriše i amplituda, koja je visina ili pomeranje svakog talasa od centralnog (nultog), ili ravnotežnog položaja. Na sledećoj slici vidimo najvišlje delove talasa, koje nazivamo vrhovima, a najniže tačke dolinama. Svaki vrh i svaka dolina talasa, razdvojeni su jedna od druge jednom talasnom dužinom. Najkraće vreme kroz koje se talasno kretanje ponavlja, naziva se periodom talasa. Brzina talasa jeste prozvod frekvencije i talasne dužine.


Talasi sa Sunca koji imaju veoma veliku talasnu dužinu i nisku frekvenciju, nazivaju se radio talasima. Kako se talasna dužina smanjuje, definisana vrsta zračenja u EMS počinje da se razlikuje od radio talasa, pretvarajući se u mikrotalasno zračenje, infracrveno zračenje, vidljivu svetlost, ultraljubičastu svetlost, x-zračenje, i visokofrekventno gama-zračenje. Dok mehanički talasi poput zvučnih zahtevaju sredinu u kojoj će se kretati, medium kretanja elektromagnetne radijacije je vakuum u kosmosu. Sledeća slika prikazuje EMS, ilustrujući talasne dužina i način na koji su one povezane sa povećanjem frekvencije i energije.





Elektromagnetni talasi u EMS imaju specijalne atribute. Talas je formiran kada se fotoni, mali paketi energije koji su uvek u kretanju, putujući brzinom od 3∙108m/s, ili brzinom svetlosti (c), pobude u vertikalno kretanje na oscilacije električnih i magnetnih polja zračećeg objekta. Atomi koji su sastavni deo izvora energije, sadrže i elektrone koji se kreću po orbitama oko nukleusa u različitim enegetskim nivoima i položajima. Kada se ovi elektroni pobude i apsorbuju ili emituju energiju, pomeraju se više ili niže u energetskim nivoima oko jezgra atoma. Ova kretanja prate apsorpciju ili emisiju fotona. 1905. godine, Ajnštajn uvodi teoriju dualističke, talasno-čestične prirode fotona. Nekoliko godina pre, Plank predlaže ideju o kvantu ili minimumu energije. On objašnjava da je energija fotona u vezi sa frekvencijom i talasnom dužinom, sledećom jednačinom:





Naravno, karakteristika radio talasa dozvoljava da dva ili više talasa postoje u isto vreme na istom mestu. Iako svaki talas ima zaseban efekat u radio zračenju, oni mogu biti pridodani ili algebarski kombinovani, dobijanjem različitih rezultata. Ovo se zove talasna interferencija. Kada je talasno kretanje u istom pravcu, ovo se zove konstruktivna interferencija. Na ovom mestu, talasi su u fazi sa rezultujućim talasom, stvarajući veću amplitudu od bilo kog individualnog talasa od kojeg je interferencija nastala. Kada se dva talasa preklope, mesto gde je kretanje suprotno ali jednako, rezultuje destruktivnom interferencijom i talasi su tada van faze.

Optički, nasuprot radio teleskopima

U proteklom periodu našeg istraživanja kosmosa, bili smo u mogućnosti da koristimo samo optičke teleskope kako bismo videli objekte u elektromagnetnom spektru vidljive svetlosti, deo spektra zračenja, koji naše oči mogu da detektuju, a koji je samo veoma mali deo čitavog spektra elektromagnetnog zračenja koje osećamo na zemlji. Kao što je pomenuto, radio talasi imaju duže talasne dužine koje nije moguće detektovati ljudskim okom, ali mogu biti detektovani radio teleskopima koji sakupljaju informacije o fazi i amplitudi radio talasa. Ovi radio teleskopi su nam omogućili da proširimo naše proučavanje univerzuma i sakupimo informacije sa različitih astronomskih izvora u njemu.

Slično kao što je EMS definisan oblastima povećanja talasne dužine, radio oblast EMS ima svoje opsege talasnih dužina i frekvencija, koje astronomi koriste kako bi posmatrali radio emitovanje sa Sunca i drugih nebeskih izvora zračenja. 1930. godine, radio astronomi i fizičari, napravili su neku vrstu definicionog alfabeta, dajući svakom frekventnom opsegu određeni slovni simbol, kako bi lakše identifikovali različite opsege radio frekvencije u svrhu zadržavanja tajne od strane neprijatelja, o radio frekvencijama koje su koristili razvijajući radarsku tehnologiju za vojnu upotrebu.

Nazivi opsega i njihove talasne dužine i frekvencije:

OPSEG TALASNA DUŽINA FREKVENCIJA
P-band 90 cm 327 MHz
L- band 20 cm 1,4 GHz
C-band 6 cm 5 GHz
X-band 3,6 cm 8,5 GHz
U-band 2 cm 15 GHz
K-band 1,3 cm 23 GHz
Q-band 7 mm 45 GHZ


Radio teleskopi funkcionišu na frekventnom opsegu koji je istovetan sa talasnom dužinom dolazećih radio talasa. S obzirom da radio talasi imaju daleko veću talasnu dužinu od vidljive svetlosti, radio teleskopi su izgrađeni da sakupe što je moguće više te energije i shodno tome su i daleko veći od optičkih.

Radio teleskopi nemaju optička stakla koja bi fokusirala kratku talasnu dužinu vidljive svetlosti. Umesto toga, koriste parabolično oblikovan tanjir, ili reflektor kako bi sakupili i reflektovali veće talasne dužine radio talasa ili energije prema podreflektoru koji je postavljen blizu glavnog fokusa koji usmerava radijaciju prema napajajućem delu (popularni feed), koji se nalazi na centru reflektora. Prijemnik, koji se nalazi iza njega, pojačava signal i detektuje odgovarajući frekventni opseg. Iza toga sledi računar, koji procesira podatke na takav način, da ostaju u direktnoj srazmeri sa jačinom detektovanih radio talasa. Dobijena slika jeste prava predstava dolazećih radio talasa, detektovanih reflektorom.

Još jedan razlog zbog kojeg su radio teleskopi toliko veći od optičkih, jeste njihova uglovna rezolucija. Uglovn površin neba gde se radio talasi sa izvora mogu detektovati, a što je proporcionalno talasnoj dužini, podeljenoj sa prečnikom antene.

Veći teleskopi dozvoljavaju veću osetljivost i rezoluciju, što ih čini najboljim kandidatima za detektovanje udaljenijih i slabijih objekata po signalu. Oni takođe imaju mogućnost da daleko bolje razdvoje signale dva objekta na sasvim zasebne, signala objekata koji su veoma blizu jedan drugom u toku osmatranja.

Kod optičkog teleskopa, talasna dužina koja može biti detektovana sa Zemlje je limitirana na oko 40mm, dok radio teleskopi dozvoljavaju detekciju mnogo većih talasnih dužina od ove, dok je samim tim moć razdvajanja signala teleskopa sve manja.

Kompenzacija ovome u radio astronomiji, jeste kombinacija teleskopa većeg prečnika, kao što je VLA (Very Large Array, Magdalena, New Mexico), ili čak i veći interferometri od njih, VLBA (Very Large Baseline Array).

Termalne i netermalne emisije

Mehanizmi koji određuju način na koji objekti emituju elektromagnetnu energiju, mogu generalno biti klasifikovani kao termalni ili netermalni izvori. Kao što se može očekivati, termalne emisije su zavisne od temperature objekta i uključuju zračenje crnog tela, slobodno-slobodnog zračenja i emisije spektralnih linija. Crno telo je objekat čija je temperatura iznad apsolutne nule i emituje talasne dužine u EMS zavisne od temperature. Hladniji objekti, temperature oko 1000 stepeni Kelvina, emituju talasne dužine u infracrvenom regionu EMS, dok topliji objekti, kao što su zvezde, emituju skoro vidljivu svetlost. Ekstremno vreli objekti, kao što su beli patuljci, emituju visoku frekvenciju ultraljubičastog zračenja. Slobodno-slobodno zračenje i emisije spektralnih linija su takođe rezultat kretanja elektrona sa viših, ka nižim energetskim nivoima, ali na malo drugačiji način od uobičajenog za crno telo. Izvor energije Sunca dolazi od nuklearnih fuzionih reakcija vodonika koji se konvertuje u helijum, što rezultuje temperaturama u dijapazonu od 5000K do preko 10.000K.

Netermalne emisije su rezultat naelektrisanih čestica koje se kreću u magnetnom polju, a koje takođe izazivaju elektrone da ubrzavaju i menjaju svoj položaj u toku spiralnog kretanja oko polja. Frekvencija emitovanja je povezana sa brzinom elektrona koji putuju brzinom bliskoj brzini svetlosti. Netermalne forme emitovanja uključuju sinhrotrone emisije ostataka supernova procesa, kvazara, ili aktivnih galaktičkih jezgara (AGN), kao i žiro-sinhrotrone emisije emitovane od pulsara, koji su rezultat gašenja masivne zvezde, u procesu nestajanja njenog unutrašnjeg goriva, kada jezgro počinje da kolabira. Maseri (mikrotalasna pojačanja stimulisanom emisijom zračenja), jesu treća forma netermalnih emisija i po svojoj prirodi su intrigantni objekti koji pojačavaju slaba zračenja sa udaljenih izvora na određenim frekvencijama. Maseri su molekuli, koji se ponašaju poput grupno-pobuđenih elektrona, koji bivaju pobuđeni i kreću se ka nižim energetskim nivoima emitujući fotone, a potom dalje proizvode efekat domina na obližnje molekule, izazivajući takođe promene na njihovim energetskim nivoima. Kako bi se maseri vratili u svoja originalna energetska stanja, oni se oslanjaju na spoljašnje izvore energije kao što su zvezde, da bi ostvarili dovoljno energije koja će im omogućiti kretanje. Grupe molekula koje detekcijom i identifikacijom pokazuju isto ponašanje kao maseri, uključuju hidroksilne radikale (OH), vodu, metanol, formaldehid, silikonski oksid i amonijak.

Osetljivost i rezolucija

Kao što je rečeno, u svrhu posmatranja objekata koji su često veoma mali i/ili koji su veoma slabog signala, astronomi moraju da pojačaju snagu sakupljanja svetlosti i razdvajajuće moći teleskopa. Ako povećamo kolektujuću površinu tanjira radio teleskopa, povećaćemo i nivo radijacije koja je fokusirana u prijemnik, a shodno tome povećali bismo automatski i osetljivost teleskopa. Da bismo načinili pravilna merenja, moramo biti u stanju da razlikujemo signale objekata. Ovo se naziva rezolucija teleskopa, a takođe zavisi od linearne veličine reflektora. Ova veza je predstavljena sledećom relacijom:




Kako bismo postigli povećanje osetljivosti rezolucije teleskopa, možemo sagraditi veće antene (do praktičnog limita). Strukturnim limitima, najveći teleskopi ne prelaze nekoliko stotina metara u prečniku. Što je veća površina tanjira, to je veći broj tehničkih izazova oko mehaničke čvrstoće, naročito ukoliko želimo da tako veliki teleskop usmerimo u željenom pravcu. Najveći radio teleskop Aresibo, nalazi se u Portoriku (Arecsibo, Puerto Rico), i prečnika je 308m.

Kao što možemo videti, naš vizuelni sistem, iako deluje jedinstveno što se posmatranja naše stvarnosti tiče, ipak nam pokazuje samo delić kompleksnosti našeg sveta. Kada razmotrimo sve ostale načine za osmatranje i detekciju prirodnih pojava oko nas, vidimo da je broj kombinacija koje smo koristili kako bismo objasnili te pojave nepotpun i da zahteva precizno uključivanje i drugih vidova snimanja i detekcije zračenja, koje, zajedno sa onim kojima smo već ovladali ili koje posedujemo rođenjem, mogu pružiti daleko bolje uvide u istraživanju kako naše planete, tako i kosmosa.



Izvor