Η γένεση της Ραδιοαστρονομίας

Posted on 05/12/2020

1


O Karl Guthe Jansky και η ιστορική κεραία του με την οποία έγιναν οι πρώτες ραδιοαστρονομικές παρατηρήσεις

Η Ραδιοαστρονομία γεννήθηκε το 1931 στο New Jersey των ΗΠΑ. Ένας Αμερικανός μηχανικός της εταιρείας Bell Telephone Laboratories, o Karl Guthe Jansky, έκανε τις πρώτες αστρονομικές παρατηρήσεις σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος, ανοίγοντας έτσι ένα καινούργιο «παράθυρο» στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Προσπαθώντας ο Jansky να εντοπίσει την προέλευση των στατικών παρεμβολών που εμπόδιζαν τις διηπειρωτικές κυρίως ραδιοφωνικές επικοινωνίες, ανακάλυψε ότι μερικές χαρακτηριστικές παρεμβολές προέρχονταν από μια σχετικά περιορισμένη περιοχή του ουρανού που συνέπιπτε με τη γενική διεύθυνση του κέντρου του Γαλαξία. Η κεραία που χρησιμοποίησε ο Jansky λειτουργούσε στα 20,5 MHz (λ=14,6m) και είχε αρκετά καλή κατευθυντική ικανότητα. Ο «κοσμικός θόρυβος» που είχε ανακαλύψει ακολουθούσε την κίνηση του ουρανού, καθυστερώντας κατά 4 περίπου λεπτά της ώρας από ημέρα σε ημέρα. Αυτή η παρατήρηση και μόνη ήταν αρκετή για να αποκλειστεί η περίπτωση παραγωγής του θορύβου από πομπούς βρίσκονταν πάνω στην επιφάνεια της Γης ή και στο Ηλιακό σύστημα. Σήμερα γνωρίζουμε πως ο Jansky είχε ανακαλύψει τη διάχυτη ακτινοβολία σύγχροτρον που οφείλεται στην κίνηση σχετικιστικών ηλεκτρονίων στο μαγνητικό πεδίο του Γαλαξία. Τα έτη 1931-32 συνέπιπταν με ελάχιστο στον ενδεκαετή κύκλο δραστηριότητας του Ήλιου. Αν ο Jansky συνέχιζε τα πειράματά του για μερικά χρόνια ακόμα, σίγουρα θα εντόπιζε ραδιοφωνική ακτινοβολία προερχόμενη από τον Ήλιο.

Την σκυτάλη στην εξέλιξη της Ραδιοαστρονομίας πήρε αργότερα ένας ραδιοηλεκτρολόγος-μηχανικός (και ερασιτέχνης αστρονόμος) ο Grote Reber. Το 1937 ο Reber κατασκεύασε μια παραβολική κεραία διαμέτρου 9,5m και το 1940 δημοσίευσε τα πρώτα αποτελέσματα από τις μετρήσεις του στα 160 MHz (λ=1,87m), όπου φαινόταν καθαρά ότι είχε εντοπίσει ραδιοφωνική ακτινοβολία προερχόμενη από το επίπεδο του Γαλαξία.

Παράλληλα κατά την διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, Bρετανοί επιστήμονες υπό τον J.S. Hey στην προσπάθειά τους να βελτιώσουν το σύστημα ραντάρ που είχαν εγκαταστήσει στα στενά της Μάγχης για τον εντοπισμό γερμανικών πλοίων που προσπαθούσαν να τα διασχίσουν, αλλά και για την έγκαιρη ανίχνευση των γερμανικών αεροπλάνων και των πυραύλων V1 και V2, αντιμετώπιζαν ισχυρότατα παράσιτα, που αρχικά τα απέδωσαν σε εχθρικές παρεμβολές. Αργότερα, όμως, αντιλήφθηκαν ότι επρόκειτο για «στατικό θόρυβο» προερχόμενο από τον Ήλιο. Στην ομάδα του Hey ανήκαν οι (μετέπειτα Sir) Bernard Lovell και Martin Ryle, οι οποίοι διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της Ραδιοαστρονομίας στην Ευρώπη κατά την τριακονταετία 1950-1980.

Σε οπτικά μήκη κύματος ένα σημαντικό της ουράνιας ακτινοβολίας σχετίζεται με την γραμμική εκπομπή ορισμένων χημικών στοιχείων (όπως π.χ. η γραμμή Ηα της σειράς Balmer στα 6563 Å. Aντίθετα, το ποσοστό της γραμμικής εκπομπής που αναμένουμε να παρατηρήσουμε σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος είναι εξαιρετικά μικρό. Γι’ αυτό η ανακάλυψη, το 1951, της γραμμικής ραδιοφωνικής εκπομπής από το υδρογόνο του μεσοαστρικού χώρου στα 1420 MHz (λ=21,1cm), από τους Ewen και Parcell (του Πανεπιστημίου Harvard), θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική, δεδομένου ότι, λόγω της μικρής απορρόφηση που υφίστανται τα ραδιοφωνικά κύματα στον μεσοαστρικό χώρο, μας δίνεται πλέον η δυνατότητα να μελετούμε, με άμεσες παρατηρήσεις, τις ιδιότητες του μεσοαστρικού χώρου (αποστάσεις, χημική σύνθεση, θερμοκρασία, πυκνότητα κτλ.). Εδώ, βέβαια, πρέπει να αναφέρουμε ότι αυτή η γραμμική εκπομπή, η οποία οφείλεται στην υπέρλεπτη υφή του ουδέτερου υδρογόνου, είχε ήδη πρβλεφθεί από το 1944 από έναν μεταπτυχιακό φοιτητή, τον Hank van de Hulst, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Jan H. Oort στο Leiden της Ολλανδίας.

Το 1951 ο (μετέπειτα Sir) Francis Graham Smith προσδιόρισε με μεγάλη ακρίβεια (χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της συμβολομετρίας) την θέση μιας πολύ ισχυρής ραδιοπηγής στον αστερισμό του Κύκνου, την Cygnus A.Λίγο αργότερα ο W. Baade, χρησιμοποιώντας τις συντεταγμένες που του είχε δώσει ο Smith, την εντόπισε και σε οπτικά μήκη κύματος με το τηλεσκόπιο των 5m του Αστεροσκοπείου του Palomar. Επρόκειτο για έναν ραδιογαλαξία, δηλαδή ένα γαλαξία που εκπέμπει τόσο σε οπτικά όσο και σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος. Ο ραδιογαλαξίας Cygnus A είναι η τρίτη ισχυρότερη ραδιοπηγή του ουρανού στη συχνότητα των 178 MHz. Η συνολική του ισχύς σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος είναι 1038Watts. Για σύγκριση, ας σημειωθεί πως ο γνωστός ‘οπτικός» γαλαξίας Μ31 στον αστερισμό της Ανδρομέδας επιδεικνύει αρκετά μικρότερη ισχύ σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος, 1032Watts, και γι’ αυτό δεν κατατάσσεται στην κατηγορία των ραδιογαλαξιών.

Το 1957 κοντά στο Manchester της Αγγλίας ολοκληρώθηκε, υπό την εποπτεία του Sir Bernard Lovell, η κατασκευή ενός τεράστιου παραβολικού ραδιοτηλεσκοπίου διαμέτρου 76cm, ενώ συγχρόνως η επιστήμη της Ραδιοαστρονομίας αναπτύσσεται αλματωδώς σε πολλές χώρες του κόσμου, όπως η Αυστραλία, οι ΗΠΑ, η Σοβιετική Ένωση, η Γαλλία, η Ολλανδία, η Ινδία, η Γερμανία και ο Καναδάς.

Το 1963 οπτικοί αστρονόμοι, στην προσπάθειά τους να εντοπίσουν μερικές ισχυρές ραδιοπηγές σε οπτικά μήκη κύματος, ανακάλυψαν τους κουέιζαρς (quasars-qusi stars), ενώ το 1967 στο Cambridge της Μ. Βρετανίας η Jocelyn Bell, μεταπτυχιακή φοιτήτρια υπό την καθοδήγηση του καθηγητού Antony Hewish (βραβείο Νόμπελ 1974), ανακάλυψε μια νέα κατηγορία αστέρων, του πάλαρς (pulsars-pulsating stars), από την περιοδική ακτινοβολία τους σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος.

Η ένταση της διάχυτης ουράνιας ακτινοβολίας των 2,75 Κ μεταξύ λ=0,001cm και λ=10cm

Εν τω μεταξύ, το 1965 οι Arno Penzias και Robert Wilson (βραβείο Νόμπελ 1978) χρησιμοποιώντας έναν τεράστιο κυματαγωγό ανακάλυψαν ότι το Σύμπαν (όπως συνάγεται από παρατηρήσεις του χώρου γύρω μας) κυριαρχείται από μια ισοτροπική ουράνια ακτινοβολία της οποίας το φάσμα συμπίπτει με αυτό που έχει ένα μέλαν σώμα θερμοκρασίας 2,75Κ. Η ακτινοβολία ενός τέτοιου σώματος παρουσιάζει μέγιστο σε ραδιοφωνικά μήκη κύματος, γύρω στο 1mm. Σήμερα πιστεύουμε ότι πρόκειται για την ακτινοβολία της (αρχικής) Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) που δημιούργησε το Σύμπαν, η θερμοκρασία της οποίας ελαττώνεται συνεχώς, λόγω αδιαβατικής διαστολής, και σήμερα έχει φτάσει τα 2,75 Κ.

Η εικοσαετία 1960-1980 χαρακτηρίζεται ιδιαίτερα από ανακαλύψεις μορίων και μοριακών ενώσεων στον μεσοαστρικό χώρο από την γραμμική τους ακτινοβολία. Το 1963 ανακαλύφθηκε πρώτα η ρίζα του υδροξυλίου (ΟΗ) στα 1667 MHz και μετά, το 1968, η αμμωνία (ΝΗ3) στα 22,7 GHz. Σήμερα σε μεσοαστρικά μοριακά νέφη έχουν εντοπιστεί σε διάφορες συχνότητες (από 700MHz μέχρι 700GHz) πάνω από 60 μοριακές ενώσεις πολλές από τις οποίες είναι οργανικές. H γραμμική ακτινοβολία μερικών ενώσεων (π.χ. του ΟΗκαι του Η2Ο) σε ορισμένα μοριακά νέφη είναι τόσο ισχυρή, ώστε μπορεί να εξηγηθεί μόνον αν υπάρχει συντονισμένη ενίσχυση (φαινόμενο maser).

Ήδη οι επιστημονικές δημοσιεύσεις που αναφέρονται σε ραδιοαστρονομικές παρατηρήσεις καλύπτουν ένα μεγάλο ποσοστό του συνόλου των αστρονομικών παρατηρήσεων. Η ανάπτυξη της Ραδιοαστρονομίας οφείλεται στη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, χάρη στην οποία έχει καταστεί δυνατή η ανίχνευση πολύ ασθενών σημάτων και έχουν επιτευχθεί εξαιρετικά υψηλές διακριτικές ικανότητες στα ραδιοτηλεσκόπια. Πιστεύουμε ότι τα περιθώρια εξέλιξής της είναι ακόμα πολύ μεγάλα. Η υψηλή διακριτική ικανότητα των ραδιοτηλεσκοπίων σε συνδυασμό με τη μικρή απορρόφηση που υφίστανται τα ραδιοφωνικά κύματα μας επιτρέπει λεπτομερείς μελέτες τόσο των γαλαξιών (πυρήνας, σπειροειδή μορφή) όσο και της δομής της χρωμόσφαιρας των αστέρων. Η ακτινοβολία των 2,7Κ αποτελεί το αρχαιότερο παρατηρήσιμο δείγμα του Σύμπαντος. Η ορθότητα και ισχύς της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας διερευνάται εξονυχιστικά με τη βοήθεια ραδιοαστρονομικών πειραμάτων. Τέλος, δεν πρέπει να παραλείψουμε να αναφέρουμε τη σημαντική πρόοδο που έχει επιτευχθεί τα τελευταία χρόνια στην έρευνα των φυσικών μηχανισμών που διέπουν την μεσοαστρική ύλη του Γαλαξία (και άλλων κοντινών γαλαξιών) με τη βοήθεια της γραμμικής εκπομπής ή απορρόφησής της στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Φάσματα μερικών γνωστών ραδιοπηγών

Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζονται τα φάσματα ορισμένων τυπικών ουράνιων ραδιοπηγών. Αν εξαιρέσουμε τις πολύ χαμηλές συχνότητες, ο Ήλιος αποτελεί την ισχυρότερη πηγή ραδιοκυμάτων στον ουρανό. Παρ’ όλα αυτά, ούτε ο Ήλιος, αλλά ούτε βέβαια και η Σελήνη, είναι αρκετά ισχυρές πηγές ραδιοκυμάτων, ώστε, με την επίδρασή τους στην ατμόσφαιρα της Γης, να εμποδίζουν τις συνηθισμένες ραδιοαστρονομκές παρατηρήσεις, πράγμα που, αντίθετα, συμβαίνει με τις οπτικές παρατηρήσεις. Αξίζει, τέλος, να αναφερθεί ότι, σύμφωνα με απλούς υπολογισμούς, η ολική ενέργεια που έχουν συλλέξει μέχρι σήμερα όλα τα ραδιοτηλεσκόπια του κόσμου δεν ξεπερνά την ενέργεια που εναποθέτει στην επιφάνεια της Γης μια χιονονιφάδα ή την ενέργεια που θα καταναλώσετε γυρίζοντας μια σελίδα ενός βιβλίου.

Απόσπασμα από το βιβλίο του Γιάννη Χ. Σειραδάκη, «Εισαγωγή στη Ραδιοαστρονομία» , Μάρτιος 2009, εκδόσεις ΠΛΑΝΗΤΑΡΙΟ Θεσσαλονίκης.

Στην Ελλάδα υπάρχει ραδιοτηλεσκόπιο;

Δεν υπήρχε (υποθέτω πως τα ραδιοτηλεσκόπια “Περιπολέας” δεν μετράνε). Όμως, η δορυφορική κεραία στις Θερμοπύλες, με διάμετρο 30 μέτρων, παραχωρήθηκε σε ερευνητικά ιδρύματα προκειμένου να μετατραπεί σε ραδιοτηλεσκόπιο, και θα είναι το πρώτο ραδιοτηλεσκόπιο στην Ελλάδα:

Click to access %ce%95%ce%bb%ce%bb%ce%b7%ce%bd%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%a1%ce%b1%ce%b4%ce%b9%ce%bf%cf%84%ce%b7%ce%bb%ce%b5%cf%83%ce%ba%ce%bf%cf%80%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%ce%a1%ce%b1%ce%b4%ce%b9%ce%bf-%ce%ad%cf%81%ce%b3%ce%b1-%ce%a3%ce%98%ce%95%ce%a4.pdf

Επίσης, σύμφωνα με την naftemporiki.gr , δύο φοιτητές, ο Απόστολος Μισιρλής (φοιτητής Πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο Πειραιώς) και ο Βασίλης Μισιρλής (φοιτητής Περιβάλλοντος και Ανάπτυξης στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο), κατασκεύασαν το δικό τους ραδιοτηλεσκόπιο (PICTOR) και κατέγραψαν την γραμμική ραδιοφωνική εκπομπή από το υδρογόνο του μεσοαστρικού χώρου στα 1420 MHz. Μετά από 204 ώρες παρατήρησης συνολικής απογραφής 3 terabyte δεδομένων, η συγκεκριμένη χαρτογράφηση του γαλαξία πρόκειται για την πρώτη στην Ελλάδα, μιας και ποτέ στο παρελθόν δεν έχει γίνει τέτοια αστρονομική παρατήρηση στα ραδιοκύματα.Tο ραδιοτηλεσκόπιο των δυο φοιτητών επιτρέπει στο ευρύ κοινό να πραγματοποιεί ζωντανά παρατηρήσεις του ουρανού εντελώς δωρεάν (πατήστε ΕΔΩ: ictortelescope.com), με στόχο τη διάδοση της ραδιοαστρονομίας σε μαθητές, φοιτητές, εκπαιδευτικούς κ.α.

Click to access guide_gr.pdf