RADIOASTRONOMIA 101 – jak się to wszystko zaczęło?

Początki obserwacji astronomicznych sięgają wiele wieków w przeszłość – przy czym wtedy była mowa jedynie o takich przeprowadzonych gołym okiem, a z czasem również przy pomocy profesjonalnych instrumentów optycznych – jak chociażby teleskopy. Taki „trend” utrzymywał się przez stulecia.

Jednak w XX wieku, nastąpił pewien zwrot, nawet można powiedzieć – przełom. To wtedy bowiem pojawiają się pierwsze, drukowane wzmianki o radioastronomii. W latach 30. pracownik Bell Telephone Laboratories, Karl Jansky, zauważył pewną regularność pory dnia i ułożenia odległych gwiazd, w której na dużej antenie występują zakłócenia. On też jako pierwszy stwierdził, że mogą być one pochodzenia pozaziemskiego. „Odbierał on zatem fale radiowe z centrum Galaktyki!”, cytując Curta Suplee. Dziś wiemy, że prowadził on na początku obserwacje na „falach ok. 15m a więc w zakresie, w którym obecnie prowadzone są obserwacje Jowisza”.

Blisko 30 lat później, para kolejnych badaczy z laboratoriów Bella – A. Penzias oraz R. Wilson, próbowała pozbyć się źródła tła statycznego ze swojego radioteleskopu – nie udało im się to jednak; po konsultacjach z astrofizykami doszli do wniosku, że musi być to promieniowanie reliktowe (co po kolejnych ponad 30 latach potwierdzi satelita NASA, czyli Cosmic Background Explorer). Co najbardziej ich jednak zaciekawiło, to to, jak ta sama częstotliwość mikrofalowa i natężenie fali nie zmieniały się, ani z porą dnia lub nocy, ani też z porą roku. Przesłanki o możliwym pochodzeniu sygnału z kosmosu doprecyzowywano, jako pochodzące spoza naszej Galaktyki. W ostatecznym rozwiązaniu tej zagadki, związanej z izotropowością, a nawet teorią Wielkiego Wybuchu) pomógł wspomniany już satelita COBE.

To był skrót historii radioastronomii. Tylko, czym ona tak naprawdę jest? Po co ona powstała, czym się zajmuje, co wykorzystuje?

Na początku wspomniane zostały pierwsze sposoby obserwacji astronomicznych – skupiały się one głównie na optyce. Z czasem jednak zauważono, że nie dostrzegały one wszystkiego – jak wspomina Maria Puciata-Mroczynska AstroNet „wszędzie naokoło, również w kosmosie, pełno jest emisji promieniowania w innych częstotliwościach (innych od fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego, który potrafią zobaczyć nasze oczy – przyp.). Dlatego powstała radioastronomia, gałąź astronomii mająca badać wszechświat w falach radiowych”.

Radioastronomia jest niezwykle przydatnym narzędziem dla rozwoju nauk astronomicznych, wykorzystującym w swoich badaniach i pomiarach fale – konkretnie fale radiowe. Zawierają się one w zakresie od 3 kHz do 300 GHz, a powstają w wyniku świecenia praktycznie każdego obiektu w kosmosie.

Tylko co one potrafią odnaleźć?

Najczęściej obserwowane przy ich pomocy są duże mgławice i kwazary (wykorzystywane są do tego duże, profesjonalne teleskopy), ale także Słońce, Księżyc i planety Układu Słonecznego (to już bardziej w celach dydaktycznych, edukacyjnych). Oczywiście, „obrazy” z pojedynczych częstotliwości nie mówią zbyt wiele, dlatego też „łączy się obserwacje w  wielu różnych częstotliwościach, co pozwala na zdobycie zdecydowanie większej ilości informacji”.

Słońce jest zdecydowanie źródłem najsilniejszego promieniowania radiowego, które składa się m.in. z tego związanego z burzami i plamami słonecznymi.

Radiowe promieniowanie planet z kolei, ma charakter bardziej termiczny – zależy od temperatury ich powierzchni. Jest ono stosunkowo słabe w zakresie fal metrowych, najsilniejsze jest natomiast w zakresie milimetrowym.

Dalej mamy pozostałości gwiazd-supernowych, takich jak Kasjopea A, które również są badane jako silne źródła promieniowania radiowego.

Obserwacje Drogi Mlecznej natomiast wymagają dużych anten, o średnicy 1-3m i częstotliwości powyżej 1 GHz.

Dobrym przykładem – a właściwie bardzo dobrym – tego, jakie obiekty potrafimy znaleźć w kosmosie dzięki radioastronomii, jest mgławica Manat: „W świetle widzialnym nie ma żadnego śladu jej obecności, jednak gdy spojrzy się na emisję fal radiowych widać tam piękny obłok gazu i pyłu”.

W następnej kolejności mamy bardzo interesujące galaktyki aktywne, wyzwalające bardzo duże ilości energii w wyniku opadania materii na czarną dziurę. Występuje w nich promieniowanie synchronowe – w jego wyniku elektrony, które poruszają się w polu magnetycznym, potrafią wyemitować fotony.

Wspomniane już kwazary, „aktywne galaktyki położone na krańcu obserwowalnego Wszechświata. Badając je, astronomowie mogą dowiedzieć się wiele na temat wczesnych etapów rozwoju kosmosu”.

Przechodząc dalej, nie można nie wspomnieć o tym, jaki sprzęt jest potrzebny do obserwacji radioastronomicznych. Pomijając jednak profesjonalne, duże radioteleskopy wykorzystywane w ośrodkach badawczych, pragnę skupić się na urządzeniach stosowanych w amatorskich badaniach. W pierwszych ich etapach można użyć choćby zwykłego odbiornika UKF-FM. Warto go zaopatrzyć w konwerter, podłączyć woltomierz, oscyloskop – „a najlepiej komputer co umożliwi rejestrację sygnałów w dłuższych okresach czasu”. Trzeba pamiętać też o detektorze i układzie całkującym oraz potencjometrze.

W następnej kolejności należy zdecydować, jakie pasmo ostatecznie wybieramy do obserwacji – radioastronomia ma bowiem kilka „działów”: wyróżniamy radioastronomię mikrofalową, ultrakrótkofalową, krótkofalową oraz długofalową.

Amatorskie obserwacje są prowadzone w wielu różnych pasmach, jednak  najczęściej odbywa się to w pobliżu pasm krótkofalarskich. Dzięki rozwojowi telewizji satelitarnej, mamy dziś, względnie tani i łatwy, dostęp do mikrofalowych podzespołów – jak choćby anteny paraboliczne, które razem ze swoimi głowicami odbiorczymi nie wymagają dużych przeróbek.

W astronomii ultrakrótkofalowej używa się głównie pasm 408, 1420 (linia wodoru) i 1453 MHz (promieniowanie synchrotronowe). Dzięki niej można stworzyć robiące duże wrażenie radiowe mapy Drogi Mlecznej, idealnie uzupełniające fotografie zrobione w zakresie światła widzialnego. Obserwacje radiowego promieniowania Jowisza zaliczamy do radioastronomii krótkofalowej. „W zakresie poniżej 40 MHz przeważa promieniowanie cyklotronowe związane z fazami obrotu księżyca Io (…), natomiast powyżej głównym źródłem promieniowania o charakterze nietermicznym jest promieniowanie synchrotronowe.”

Dochodzimy teraz do radioastronomii długofalowej. Silna jonizacja jonosfery doprowadza do znacznego tłumienia fal krótkich, co zdecydowanie utrudnia komunikację radiową w tym zakresie, tak więc niekoniecznie należą one do tzw. okna radiowego – czyli długości fal. Które bez problemu przechodzą przez ziemską atmosferę. Fale dłuższe niż 15 m są „blokowane”, tzn. odbijane są przez górne warstwy atmosfery.

     Pierwszy radioteleskop został wykonany przez Grote’a Rebera, który późnej doskonalił swój model. Do jego zmontowania potrzebne będą antena paraboliczna – taka jaka jest wykorzystywana w telewizji satelitarnej. Antena powinna posiadać głowicę odbiorczą LNB, nawet nieco starszego typu. Są one dostosowane do odbierania sygnałów o polaryzacji poziomej i pionowej.

Antena musi być skierowana oczywiście w kierunku Słońca (bądź Księżyca) – jest ona wystarczająca do odbioru pochodzących od nich szumów. Szerokość jej wiązki trzeba starannie wycelować (tym bardziej, że „średnica kątowa tarczy słonecznej dla obserwatora na Ziemi wynosi 0.5°.”), można to jednak zrobić samemu.

W samej kalibracji przyda się pojęcie źródła odniesienia, czyli ciała o znanych temperaturach. Odbierane promieniowanie radiowe takiego na przykład nieba odpowiada temperaturze ok. 6 stopni Kelvina.

Do całego układu należy podłączyć jeszcze przetwornik a/c, a całość – do komputera, gdzie będziemy mogli badać odbierane sygnały.

     Te amatorskie radioteleskopy można oczywiście poddawać różnym modyfikacjom – dodawać mierniki mocy szumów, mikrokontrolery, moduły Arduino, przetworniki (np. analogowo-cyfrowe), przedwzmacniacze czy detektory.

Najciekawsze jednak w mojej opinii jest zjawisko sonifikacji danych astronomicznych. Jest za nie odpowiedzialny efektfotoakustyczny, odkryty jeszcze w XIX wieku przez Aleksandra Bella, wynalazcę telefonu. Dzięki niemu możemy mówić o tzw. meteorach elektrofonicznych. Kiedy meteoryt przelatuje w ziemskiej jonosferze, może on wygenerować „fale radiowe o bardzo niskich częstotliwościach”, czyli fale VLF (Very Low Frequency) – będące na granicy „odczuwania” przez człowieka. Poruszają się one z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Tak jak w efekcie fotoakustycznym, zmiany w częstotliwości dźwięku są skorelowane z występowaniem krótkich, bo aż milisekundowych błysków światła; wszystko to dzieje się w paśmie do około 40 Hz.

Podobne rzeczy można zaobserwować przy syczących zorzach polarnych, gdzie mamy „mechanizm przetwarzania pól elektromagnetycznych fal generowanych w okolicach zorzy na dźwięki generowane w bezpośrednim sąsiedztwie obserwatora”.

Do obserwowania, czy raczej – usłyszenia meteorytów, nie potrzeba specjalistycznych radioteleskopów. Są one niezbędne jednak, gdy chcemy utworzyć widowiskowe radiowe mapy nieba, które bardzo dobrze komponują się z tymi zrobionymi w zakresie widzialnym. Podczas szkolnych badań radioastronomicznych z kolei, nawet najprostsze nasłuchiwania Słońca, Księżyca czy Jowisza, robią naprawdę duże wrażenie i są pewnym pierwszym krokiem – krokiem w stronę poznania nauki i przekonania się, że astronomia i fizyka nie są jedynie nudnymi szkolnymi lekcjami.

Źródła tekstów i grafik : „Radioastronomia amatorska” Krzysztof Dąbrowski

„Urania. Postępy Astronomii” numer 1/2023 ; artykuły :

      „Czekając na kilonową” R. Biernikowicz

      „Tym razem szumiące meteory” R. Schreiber

„Fizyka XX wieku” Curt Suplee

http://www.oa.uj.edu.pl/hou/dlanauczycieli/szkolny_radioteleskop.pdf

About The Author