Mikrowellenastronomie hilft Astronomen, den Kosmos zu erkunden

Nicht viele Menschen denken über kosmische Mikrowellen nach, wenn sie ihr Essen jeden Tag zum Mittagessen zerstören. Die gleiche Art von Strahlung, die ein Mikrowellenherd verwendet, um einen Burrito zu zappen, hilft Astronomen dabei, das Universum zu erkunden. Es ist wahr: Mikrowellenemissionen aus dem Weltraum geben einen Einblick in die Kindheit des Kosmos. 

Mikrowellensignale aufspüren

Eine faszinierende Sammlung von Objekten sendet Mikrowellen im Raum aus. Die nächste Quelle für nicht-terrestrische Mikrowellen ist unsere Sonne. Die spezifischen Wellenlängen von Mikrowellen, die es aussendet, werden von unserer Atmosphäre absorbiert. Wasserdampf in unserer Atmosphäre kann die Detektion von Mikrowellenstrahlung aus dem Weltraum stören, sie absorbieren und verhindern, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Das lehrte Astronomen, die Mikrowellenstrahlung im Kosmos studieren, ihre Detektoren in großen Höhen auf der Erde oder im All aufzustellen. 

Andererseits können Mikrowellensignale, die Wolken und Rauch durchdringen können, den Forschern helfen, die Bedingungen auf der Erde zu untersuchen und die Satellitenkommunikation zu verbessern. Es stellt sich heraus, dass die Mikrowellenforschung in vielerlei Hinsicht von Vorteil ist. 

Mikrowellensignale kommen in sehr langen Wellenlängen vor. Um sie zu erfassen, sind sehr große Teleskope erforderlich, da der Detektor um ein Vielfaches größer sein muss als die Wellenlänge der Strahlung. Die bekanntesten Observatorien für Mikrowellenastronomie sind im Weltraum und haben Details über Objekte und Ereignisse bis zum Beginn des Universums enthüllt.

Kosmische Strahlung

Das Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie ist eine Mikrowellenquelle, obwohl sie nicht so weitläufig ist wie in anderen, aktiveren Galaxien. Unser Schwarzes Loch (genannt Schütze A *) ist ziemlich ruhig, wie diese Dinge gehen. Es scheint keinen massiven Strahl zu haben und ernährt sich nur gelegentlich von Sternen und anderem Material, das zu nahe kommt.

Pulsare (rotierende Neutronensterne) sind sehr starke Quellen für Mikrowellenstrahlung. Diese leistungsstarken, kompakten Objekte sind in Bezug auf die Dichte nach den Schwarzen Löchern an zweiter Stelle. Neutronensterne haben starke Magnetfelder und schnelle Rotationsraten. Sie erzeugen ein breites Strahlungsspektrum, wobei die Mikrowellenemission besonders stark ist. Die meisten Pulsare werden wegen ihrer starken Funkemissionen üblicherweise als "Funkpulsare" bezeichnet, sie können aber auch "mikrowellenhell" sein.

Viele faszinierende Mikrowellenquellen liegen weit außerhalb unseres Sonnensystems und unserer Galaxie. Beispielsweise senden aktive Galaxien (AGN), die von supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Kernen angetrieben werden, starke Mikrowellenstrahlen aus. Zusätzlich können diese Black-Hole-Motoren massive Plasmastrahlen erzeugen, die auch bei Mikrowellenwellenlängen hell leuchten. Einige dieser Plasmastrukturen können größer sein als die gesamte Galaxie, die das Schwarze Loch enthält.

Die ultimative kosmische Mikrowellengeschichte

1964 beschlossen die Wissenschaftler der Princeton University, David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke und Peter Roll, einen Detektor für die Suche nach kosmischen Mikrowellen zu bauen. Sie waren nicht die einzigen. Zwei Wissenschaftler der Bell Labs - Arno Penzias und Robert Wilson - bauten ebenfalls ein "Horn", um nach Mikrowellen zu suchen. Eine solche Strahlung war im frühen 20. Jahrhundert vorhergesagt worden, aber niemand hatte etwas unternommen, um sie zu erforschen. Die Messungen der Wissenschaftler von 1964 zeigten eine schwache "Wäsche" der Mikrowellenstrahlung über den gesamten Himmel. Es stellt sich nun heraus, dass das schwache Leuchten der Mikrowelle ein kosmisches Signal aus dem frühen Universum ist. Penzias und Wilson gewannen einen Nobelpreis für ihre Messungen und Analysen, die zur Bestätigung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) führten..

Schließlich bekamen die Astronomen die Mittel, um weltraumgestützte Mikrowellendetektoren zu bauen, die bessere Daten liefern können. Beispielsweise hat der Satellit Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) ab 1989 eine detaillierte Untersuchung dieses CMB durchgeführt. Seitdem haben andere Beobachtungen mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) diese Strahlung nachgewiesen.

Das CMB ist das Nachleuchten des Urknalls, das Ereignis, das unser Universum in Bewegung setzte. Es war unglaublich heiß und voller Energie. Mit der Ausdehnung des neugeborenen Kosmos sank die Dichte der Wärme. Grundsätzlich kühlte es ab, und die geringe Hitze verteilte sich auf eine immer größere Fläche. Heute ist das Universum 93 Milliarden Lichtjahre breit und der CMB entspricht einer Temperatur von etwa 2,7 Kelvin. Astronomen betrachten diese diffuse Temperatur als Mikrowellenstrahlung und nutzen die geringen Schwankungen der "Temperatur" des CMB, um mehr über die Ursprünge und die Entwicklung des Universums zu erfahren.

Tech Talk über Mikrowellen im Universum

Mikrowellen senden bei Frequenzen zwischen 0,3 Gigahertz (GHz) und 300 GHz aus. (Ein Gigahertz entspricht 1 Milliarde Hertz. Ein "Hertz" beschreibt, wie viele Zyklen pro Sekunde etwas aussendet, wobei ein Hertz einem Zyklus pro Sekunde entspricht.) Dieser Frequenzbereich entspricht Wellenlängen zwischen einem Millimeter (ein Millimeter). tausendstel Meter) und ein Meter. TV- und Radioemissionen liegen im unteren Bereich des Spektrums zwischen 50 und 1000 MHz (Megahertz).. 

Mikrowellenstrahlung wird oft als unabhängiges Strahlungsband beschrieben, wird aber auch als Teil der Wissenschaft der Radioastronomie angesehen. Astronomen bezeichnen Strahlung mit Wellenlängen im Ferninfrarot-, Mikrowellen- und Ultrahochfrequenzbereich (UHF) häufig als Teil der Mikrowellenstrahlung, obwohl es sich technisch gesehen um drei getrennte Energiebänder handelt.