Hoe radiogolven ons helpen het universum te begrijpen

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 behulp van het zichtbare licht dat van sterren, planeten, nevels en sterrenstelsels stroomt. Deze objecten en gebeurtenissen in het universum geven ook andere vormen van straling af, waaronder radio-emissies. Die natuurlijke signalen vullen een belangrijk deel van het kosmische aan van hoe en waarom objecten in het universum zich gedragen zoals ze zich gedragen.

Tech Talk: Radio Waves in Astronomy

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 (één kilometer is gelijk aan duizend meter). Qua frequentie is dit gelijk aan 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" -emissies vaak met iets dat mensen kunnen horen. Dat komt vooral omdat we radio's gebruiken voor communicatie en entertainment. Maar mensen 'horen' geen radiofrequenties van kosmische objecten. Onze oren kunnen frequenties van 20 Hz tot 16.000 Hz (16 KHz) detecteren. De meeste kosmische objecten zenden uit bij Megahertz-frequenties, die veel hoger is dan het oor hoort. 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 in Saturnus.

Een van de krachtigste bronnen van radiostraling buiten het zonnestelsel en buiten de Melkweg, is afkomstig van actieve sterrenstelsels (AGN). Deze dynamische objecten worden aangedreven door superzware zwarte gaten aan hun kernen. Bovendien zullen deze black hole-motoren enorme stralen materiaal produceren die fel gloeien met radio-uitzendingen. Deze kunnen vaak de hele melkweg overtreffen in radiofrequenties.

Pulsars, of roterende neutronensterren, zijn ook sterke bronnen van radiogolven. Deze sterke, compacte objecten worden gemaakt wanneer massieve sterren sterven als supernova. Ze zijn de tweede na zwarte gaten in termen van ultieme dichtheid. Met krachtige magnetische velden en snelle rotatiesnelheden, zenden deze objecten een breed spectrum van straling uit, en ze zijn bijzonder "helder" in radio. Net als superzware zwarte gaten, worden krachtige radiostralen gecreëerd die afkomstig zijn van de magnetische polen of de draaiende neutronenster.

Veel pulsars worden "radiopulsars" genoemd vanwege hun sterke radiostraling. Uit gegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope bleek zelfs een nieuw soort pulsars dat het sterkst lijkt in gammastralen in plaats van de meer gebruikelijke radio. Het proces van hun creatie blijft hetzelfde, maar hun uitstoot vertelt ons meer over de energie die betrokken is bij elk type object. 

Supernova-overblijfselen zelf kunnen bijzonder sterke zenders van radiogolven zijn. De krabnevel is beroemd om zijn radiosignalen die astronoom Jocelyn Bell waarschuwden voor zijn bestaan. 

Radio Astronomie

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

Hoe groter het verzamelgebied is, in vergelijking met de golfgrootte, hoe beter de hoekresolutie van een radiotelescoop. (Hoekresolutie is een maat voor hoe dicht twee kleine objecten kunnen zijn voordat ze niet te onderscheiden zijn.)

Radio interferometrie

Aangezien radiogolven zeer lange golflengten kunnen hebben, moeten standaard radiotelescopen zeer groot zijn om enige vorm van precisie te verkrijgen. Maar omdat het bouwen van radiotelescopen in stadiongrootte onbetaalbaar kan zijn (vooral als je wilt dat ze überhaupt stuurmogelijkheden hebben), is een andere techniek nodig om de gewenste resultaten te bereiken.

Radio-interferometrie, ontwikkeld in het midden van de jaren veertig, beoogt het soort hoekresolutie te bereiken dat zonder ongelooflijke kosten afkomstig zou zijn van ongelooflijk grote schotels. Astronomen bereiken dit door meerdere detectoren parallel aan elkaar te gebruiken. Elk bestudeert hetzelfde object op hetzelfde moment als de anderen.

Samen werken deze telescopen effectief als één gigantische telescoop ter grootte van de hele groep detectoren samen. De Very Large Baseline Array heeft bijvoorbeeld detectoren op een afstand van 1300 km. In het ideale geval zou een reeks van veel 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 afstanden van elkaar bestaan ​​(vanaf verschillende punten over de hele wereld en zelfs in een baan om de aarde). Bekend als Very Long Baseline Interferometry (VLBI), deze techniek verbetert de mogelijkheden van individuele radiotelescopen aanzienlijk en stelt onderzoekers in staat enkele van de meest dynamische objecten in het universum te onderzoeken.

Radio's relatie tot microgolfstraling

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

Dit is een bron van verwarring, aangezien sommige publicaties de microgolfbanden en radiobanden afzonderlijk vermelden, terwijl anderen eenvoudigweg de term "radio" gebruiken om zowel de klassieke radioband als de magnetronband op te nemen.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.