Wie Radiowellen uns helfen, das Universum zu verstehen

Menschen nehmen das Universum mit sichtbarem Licht wahr, das wir mit unseren Augen sehen können. Der Kosmos beinhaltet jedoch mehr als das, was wir mit dem sichtbaren Licht sehen, das von Sternen, Planeten, Nebeln und Galaxien ausgeht. Diese Objekte und Ereignisse im Universum geben auch andere Formen von Strahlung ab, einschließlich Funkemissionen. Diese natürlichen Signale füllen einen wichtigen Teil des Kosmos aus, wie und warum sich Objekte im Universum so verhalten, wie sie es tun.

Tech Talk: Radiowellen in der Astronomie

Radiowellen sind elektromagnetische Wellen (Licht), aber wir können sie nicht sehen. Sie haben Wellenlängen zwischen 1 Millimeter (ein Tausendstel eines Meters) und 100 Kilometer (ein Kilometer entspricht eintausend Metern). In Bezug auf die Frequenz entspricht dies 300 Gigahertz (ein Gigahertz entspricht einer Milliarde Hertz) und 3 Kilohertz. Ein Hertz (abgekürzt als Hz) ist eine häufig verwendete Maßeinheit für die Frequenz. Ein Hertz entspricht einem Frequenzzyklus. Ein 1-Hz-Signal entspricht also einem Zyklus pro Sekunde. Die meisten kosmischen Objekte senden Signale mit einer Geschwindigkeit von Hunderten bis Milliarden von Zyklen pro Sekunde aus.

Menschen verwechseln häufig "Radio" -Emissionen mit etwas, das Menschen hören können. Das liegt vor allem daran, dass wir Radios für Kommunikation und Unterhaltung verwenden. Menschen "hören" jedoch keine Radiofrequenzen von kosmischen Objekten. Unsere Ohren können Frequenzen von 20 Hz bis 16.000 Hz (16 kHz) erfassen. Die meisten kosmischen Objekte senden mit Megahertz-Frequenzen aus, die viel höher sind, als das Ohr hört. Aus diesem Grund wird in der Radioastronomie (zusammen mit Röntgen-, Ultraviolett- und Infrarotstrahlung) oft angenommen, dass sie ein "unsichtbares" Universum enthüllt, das wir weder sehen noch hören können.

Quellen von Radiowellen im Universum

Radiowellen werden normalerweise von energetischen Objekten und Aktivitäten im Universum ausgesendet. Die Sonne ist die nächste Quelle für Funkemissionen außerhalb der Erde. Jupiter sendet ebenso Radiowellen aus wie Ereignisse am Saturn.

Eine der stärksten Strahlungsquellen außerhalb des Sonnensystems und jenseits der Milchstraße stammt von aktiven Galaxien (AGN). Diese dynamischen Objekte werden von supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Kernen angetrieben. Zusätzlich erzeugen diese Black-Hole-Motoren massive Materialstrahlen, die durch Funkemissionen hell leuchten. Diese können häufig die gesamte Galaxie in Radiofrequenzen überstrahlen.

Pulsare oder rotierende Neutronensterne sind ebenfalls starke Quellen von Radiowellen. Diese starken, kompakten Objekte entstehen, wenn massive Sterne als Supernovae sterben. Sie sind nach Schwarzen Löchern in Bezug auf die endgültige Dichte an zweiter Stelle. Mit starken Magnetfeldern und schnellen Rotationsraten senden diese Objekte ein breites Strahlungsspektrum aus und sind im Radio besonders "hell". Wie supermassereiche Schwarze Löcher entstehen aus den Magnetpolen oder dem sich drehenden Neutronenstern leistungsstarke Funkstrahlen.

Viele Pulsare werden wegen ihrer starken Funkemission als "Funkpulsare" bezeichnet. Tatsächlich zeigten Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops Hinweise auf eine neue Generation von Pulsaren, die in Gammastrahlen am stärksten zu sein scheinen als im allgemeineren Radio. Der Entstehungsprozess bleibt derselbe, aber ihre Emissionen sagen mehr über die Energie aus, die in jedem Objekttyp steckt. 

Supernova-Überreste selbst können besonders stark Radiowellen aussenden. Der Krebsnebel ist berühmt für seine Funksignale, die den Astronomen Jocelyn Bell auf seine Existenz aufmerksam gemacht haben. 

Radioastronomie

Radioastronomie ist das Studium von Objekten und Prozessen im Raum, die Radiofrequenzen aussenden. Jede bisher entdeckte Quelle ist eine natürlich vorkommende. Die Emissionen werden hier auf der Erde von Radioteleskopen aufgenommen. Dies sind große Instrumente, da der Detektorbereich größer sein muss als die nachweisbaren Wellenlängen. Da Radiowellen größer als ein Meter sein können (manchmal viel größer), übersteigen die Bereiche in der Regel mehrere Meter (manchmal 30 Fuß oder mehr). Einige Wellenlängen können berggroß sein, und so haben Astronomen ausgedehnte Arrays von Radioteleskopen gebaut. 

Je größer der Erfassungsbereich im Vergleich zur Wellengröße ist, desto besser ist die Winkelauflösung eines Radioteleskops. (Die Winkelauflösung ist ein Maß dafür, wie nah zwei kleine Objekte sein können, bevor sie nicht mehr zu unterscheiden sind.)

Radiointerferometrie

Da Radiowellen sehr lange Wellenlängen haben können, müssen Standard-Radioteleskope sehr groß sein, um jegliche Präzision zu erzielen. Da der Bau von Radioteleskopen in Stadiongröße jedoch unerschwinglich sein kann (insbesondere wenn Sie möchten, dass sie überhaupt eine Lenkfähigkeit haben), ist eine andere Technik erforderlich, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Die Mitte der 1940er Jahre entwickelte Radiointerferometrie zielt darauf ab, eine Winkelauflösung zu erzielen, wie sie bei unglaublich großen Schalen ohne Kosten entstehen würde. Astronomen erreichen dies, indem sie mehrere Detektoren parallel zueinander einsetzen. Jeder studiert das gleiche Objekt zur gleichen Zeit wie die anderen.

Zusammen wirken diese Teleskope wie ein einziges Riesenteleskop von der Größe der gesamten Gruppe von Detektoren. Beispielsweise weist das Very Large Baseline Array Detektoren auf, die 13.000 km voneinander entfernt sind. Idealerweise würde eine Anordnung von vielen Radioteleskopen in unterschiedlichen Abständen zusammenarbeiten, um die effektive Größe des Sammelbereichs zu optimieren und die Auflösung des Instruments zu verbessern.

Durch die Entwicklung fortschrittlicher Kommunikations- und Zeitmessungstechnologien ist es möglich geworden, Teleskope zu verwenden, die in großen Entfernungen voneinander (von verschiedenen Punkten auf der ganzen Welt und sogar im Orbit um die Erde) existieren. Diese als Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bekannte Technik verbessert die Fähigkeiten einzelner Radioteleskope erheblich und ermöglicht es Forschern, einige der dynamischsten Objekte im Universum zu untersuchen.

Radio Beziehung zur Mikrowellenstrahlung

Das Funkwellenband überlappt sich auch mit dem Mikrowellenband (1 Millimeter bis 1 Meter). In der Tat, was gemeinhin genannt wird Radioastronomie, ist wirklich Mikrowellenastronomie, obwohl einige Funkinstrumente Wellenlängen weit über 1 Meter erfassen.

Dies ist verwirrend, da in einigen Veröffentlichungen das Mikrowellenband und die Radiobänder getrennt aufgeführt werden, während in anderen lediglich der Begriff "Radio" sowohl das klassische Radioband als auch das Mikrowellenband umfasst.

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.