Πώς η Ραδιοαστρονομία αποκαλύπτει το Σύμπαν

Εάν ζητήσετε από έναν αστρονόμο να επιλέξει τη μοναδική πιο συναρπαστική εικόνα σε όλη την αστρονομία, πολλοί από εμάς θα σας δείξουν ένα γνώριμο πορτοκαλί δαχτυλίδι. Με μια ματιά μπορεί να μην μοιάζει πολύ - ένα ασαφές λαμπερό ντόνατ, ελαφρώς διογκωμένο στο κάτω μέρος και, από τον περασμένο μήνα, με καμπύλες γραμμές - αλλά στην πραγματικότητα αυτός ο ανεπιτήδευτος κύκλος είναι η πρώτη ματιά της ανθρωπότητας σε μια μαύρη τρύπα, με τα χρώματα επιλέχθηκε να μην μιμείται τον ρεαλισμό, αλλά να υποδεικνύει την ένταση των ραδιοφωνικών εκπομπών.

Τραβηγμένη σε μια φωτογραφία τόσο ευκρινή που ήταν σαν να διαβάζεις την ημερομηνία ενός τετάρτου στο Λος Άντζελες ενώ στεκόταν στην Ουάσιγκτον, η εικόνα αποκάλυψε μια μαύρη τρύπα 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον δικό μας ήλιο στην καρδιά ενός γαλαξία φωτός 55 εκατομμυρίων - χρόνια μακριά. Οι μικροσκοπικές λεπτομέρειες της εικόνας αποκάλυψαν ότι η μαύρη τρύπα περιστρέφεται δεξιόστροφα και καταναλώνει το ισοδύναμο εκατοντάδων μαζών της Γης κάθε χρόνο. Ακόμη και οι πρόσφατα κομμένες γραμμές αντιπροσωπεύουν ενδεικτικές υπογραφές ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου.

Αυτή η άνευ προηγουμένου εικόνα ενός από τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα σε όλη τη φυσική είναι η τελευταία σε μια μακρά σειρά ανακαλύψεων που έγιναν δυνατές από τη ραδιοαστρονομία. Η επιστήμη που περιέχεται στη διάσημη εικόνα μπορεί να προκαλεί το μυαλό, αλλά η επιστήμη που την έκανε δυνατή είναι εντυπωσιακή από μόνη της, επιτρέποντας στους ερευνητές που εργάζονται από κοινού σε ολόκληρο τον πλανήτη έναν εντελώς νέο τρόπο μελέτης του σύμπαντος.

Το καθεστώς ραδιοφώνου βρίσκεται στο ένα άκρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όπου τα κύματα φωτός έχουν χαμηλές ενέργειες. Τα πρώτα ανιχνευμένα ραδιοκύματα, που παράγονται από την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων, δημιουργήθηκαν τεχνητά στα τέλη του 1800. Εύκολα στην κατασκευή, με μεγάλα μήκη κύματος που τους επέτρεπαν να διανύουν μεγάλες αποστάσεις ανενόχλητα, τα ραδιοκύματα θεωρήθηκαν αμέσως ως ένα εξαιρετικό εργαλείο επικοινωνίας. Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι φυσικοί γνώριζαν ότι τα κύματα θα μπορούσαν επίσης να παράγονται από φυσικά φαινόμενα, όπως οι κεραυνοί, αλλά ήθελαν κυρίως να αποφύγουν αυτές τις ενοχλητικές πηγές «θορύβου» για να βελτιώσουν τη διαύγεια, τη δύναμη και την εμβέλεια της τεχνολογίας ραδιοεπικοινωνιών.

Ο Karl Jansky δούλευε ακριβώς πάνω σε αυτόν τον στόχο όταν ανακάλυψε για πρώτη φορά τον «θόρυβο των αστεριών» τυχαία το 1931. Ως φυσικός και μηχανικός στα Bell Labs, σχεδίασε μια τεράστια κεραία 100 πόδια πλάτος και 20 πόδια ύψος τοποθετημένη σε ένα σύνολο ελαστικών Model T ώστε να μπορεί να περιστρέφεται και να δείχνει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Οι συνάδελφοί του ονόμασαν το παρατσούκλι "Jansky's Merry-go-round."

Όταν ο Jansky άρχισε να χρησιμοποιεί την κεραία, παρατήρησε ένα αχνό αλλά συνεχές σφύριγμα στα δεδομένα του. Εκμεταλλευόμενος την ικανότητα ελιγμών του γαϊτανού, παρακολούθησε την πηγή και τελικά εντόπισε τη θέση της. Η κεραία δεν λάμβανε κοντινές καταιγίδες ή αδέσποτες πηγές ακτινοβολίας που συνδέονταν με τη Γη — ανίχνευε ενέργεια που προερχόταν από το κέντρο του Γαλαξία.

Η ανακάλυψη του Jansky αντιμετωπίστηκε κυρίως με ήπια περιέργεια από την αστρονομική κοινότητα. Εν μέσω της Μεγάλης Ύφεσης, τα παρατηρητήρια δεν ήταν πρόθυμα να διαθέσουν τα περιορισμένα κεφάλαιά τους για κερδοσκοπική νέα τεχνολογία. Αλλά ένας νεαρός επιστήμονας και μηχανικός με το όνομα Grote Reber βρήκε την ανακάλυψη του Jansky συναρπαστική και ορκίστηκε να αφιερώσει την καριέρα του στη μελέτη ραδιοφωνικών σημάτων από το διάστημα. Αφού απορρίφθηκε για δουλειά στο Bell Labs, αποφάσισε να κατασκευάσει το δικό του ραδιοτηλεσκόπιο στην αυλή του στο Ιλινόις:ένα παραβολικό πιάτο 31 ποδιών με έναν ραδιοφωνικό δέκτη τοποθετημένο ακριβώς από πάνω του.

Οι προσπάθειές του ήταν εξαιρετικά επιτυχημένες, αναπαράγοντας τις παρατηρήσεις του Jansky και στη συνέχεια δημιουργώντας τον πρώτο ραδιοφωνικό χάρτη του ουρανού. Βρήκε σημεία φωτεινής ραδιοεκπομπής που αργότερα θα αναγνωρίστηκαν ως μακρινοί γαλαξίες και τα υπολείμματα που άφησαν πίσω τους πρόσφατες σουπερνόβα. Μέχρι το 1940, ο Reber δημοσίευε στο The Astrophysical Journal , και το έργο του δημιούργησε ένα ευρύτερο ενδιαφέρον για τις ραδιοπαρατηρήσεις στην αστρονομική κοινότητα.

Η παρατήρηση αυτών των μεγαλύτερων μηκών κύματος έδωσε στους αστρονόμους ένα εντελώς νέο παράθυρο στο σύμπαν, επιτρέποντάς τους να ανιχνεύσουν ραδιοεκπομπές που παράγεται από τη λάμψη αμυδρά μακρινών πηγών θερμότητας και εξωτικής φυσικής ικανής να επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια με ακραίους και απροσδόκητους τρόπους. Τα ραδιοτηλεσκόπια ήταν τα πρώτα που εντόπισαν τα ταχέως περιστρεφόμενα συμπαγή υπολείμματα νεκρών αστεριών γνωστών ως πάλσαρ, το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (φως που φέρει τα δακτυλικά αποτυπώματα της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης) και τα πρώτα σημάδια υπερμεγέθων μαύρων οπών στα κέντρα των γαλαξιών. τη δική μας — η ύποπτη πηγή της αρχικής ανακάλυψης του Jansky. Αυτά τα φαινόμενα είναι απλά αόρατα αν κοιτάξετε μόνο το ορατό φως.

Η επιστήμη της ραδιοαστρονομίας είναι συναρπαστική, αλλά τα τηλεσκόπια φαίνονται αναμφισβήτητα περίεργα σε οποιονδήποτε έχει συνηθίσει στα γυαλιστερά τηλεσκόπια με καθρέφτη που έχουν κοιτάξει. Ωστόσο, στα μεγάλα μήκη κύματος του ραδιοφωτός, τα πιάτα των ραδιοτηλεσκοπίων είναι επίσης γυαλιστερά, αντανακλώντας τα ραδιοκύματα από τον ουρανό μέχρι έναν δέκτη, όπως ακριβώς το ορατό φως αντανακλάται από τον καθρέφτη ενός τηλεσκοπίου και σε ένα προσοφθάλμιο. Τα ραδιοτηλεσκόπια ακολουθούν επίσης τις ίδιες θεμελιώδεις αρχές των τηλεσκοπίων ορατού φωτός:Τα πιο αποτελεσματικά πρέπει να είναι κάπου σκοτεινά (για να εξαλειφθούν οι ανταγωνιστικές πηγές φωτός) και όσο μεγαλύτερα τόσο το καλύτερο.

Ενώ μια μεγάλη περιοχή τηλεσκοπίου μας επιτρέπει να συλλέγουμε περισσότερο φως και να παρατηρούμε πιο αμυδρά αντικείμενα (σκεφτείτε τις κόρες των ματιών σας να διαστέλλονται σε ένα σκοτεινό δωμάτιο), μια μεγάλη διάμετρος τηλεσκοπίου μας βοηθά να τραβήξουμε πιο ευκρινείς φωτογραφίες (σκεφτείτε τους τεράστιους τηλεφακούς που χρησιμοποιούν οι αθλητικοί φωτογράφοι για να απαθανατίσουν ευκρινή δράση φωτογραφίες από το περιθώριο του γηπέδου). Αυτή η ευκρίνεια είναι συχνά βασικός στόχος στην αστρονομία, καθώς μας επιτρέπει να εντοπίσουμε μεμονωμένα αστέρια σε μακρινούς γαλαξίες ή να χαρτογραφήσουμε το ακριβές σχήμα ενός νεφελώματος και τα μεγάλα μήκη κύματος της ραδιοαστρονομίας προσφέρουν έναν διαφορετικό τρόπο κατασκευής μεγάλων τηλεσκοπίων. Τα ραδιοτηλεσκόπια μπορούν να επιτύχουν απίστευτα μεγάλες αποτελεσματικές διαμέτρους χάρη σε μια τεχνική γνωστή ως συμβολομετρία, η οποία συνδυάζει δεδομένα από μια σειρά μικρότερων μεμονωμένων πιάτων, επιτρέποντάς τους να λειτουργούν ως ένα γιγαντιαίο τηλεσκόπιο που παράγει μια ενιαία ευκρινή εικόνα. Η επιστήμη της συμβολομετρίας είναι τρομακτική, αλλά παράγει απίστευτα αποτελέσματα:Αυτή ακριβώς η τεχνική επέτρεψε στο τηλεσκόπιο Event Horizon να συγχωνεύσει οκτώ ραδιοπαρατηρητήρια από όλο τον κόσμο σε ένα τηλεσκόπιο μεγέθους πλανήτη και να τραβήξει τη διάσημη εικόνα μιας μαύρης τρύπας.

Έτσι, το "μεγάλο" είναι σαφώς δυνατό για τα ραδιοτηλεσκόπια. Τι γίνεται με το "σκοτεινό"; Αυτό θέτει μια πολύ μεγαλύτερη πρόκληση. Κατά ειρωνικό τρόπο, ο αρχικός στόχος του Jansky - να φιλτράρει τις φυσικές πηγές ραδιοκυμάτων και να ανοίξει τον δρόμο για την τεχνολογία επικοινωνίας - έχει πλέον αντιστραφεί για τους αστρονόμους του ραδιοφώνου που προσπαθούν να μελετήσουν το σύμπαν στην εποχή της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Αν τα μάτια σας μπορούσαν να δουν στο φως του ραδιοφώνου, το δωμάτιο γύρω σας θα γινόταν ένα εκτυφλωτικό κουβάρι ραδιοφωνικών σημάτων:ένα σύννεφο δικτύων Wi-Fi, σποραδικές εκρήξεις φωτός από τα κοντινά κινητά τηλέφωνα, ακόμη και αναβοσβήνει από τους μικροσκοπικούς κεραυνούς που δημιουργούνται από μπουζί σε διερχόμενα αυτοκίνητα.

Ένας τρόπος για να αποτραπεί αυτό το χάος από τη συντριβή των κοσμικών δεδομένων είναι ο περιορισμός των κοντινών τεχνητών ραδιοφωνικών σημάτων, όπως κάνει το Παρατηρητήριο Green Bank στη Δυτική Βιρτζίνια. Αυτή η εγκατάσταση βρίσκεται βαθιά στην National Radio Quiet Zone, η οποία περιορίζει την τεχνολογία για την ελαχιστοποίηση του θορύβου του ραδιοφώνου:το Wi-Fi, τα κινητά τηλέφωνα και οι φούρνοι μικροκυμάτων απαγορεύονται και όλα τα οχήματα λειτουργούν με κινητήρες ντίζελ. (Ακόμα κι έτσι, οι ερευνητές εδώ κάποτε έχασαν χρόνο παρατήρησης στον θόρυβο από, όλων των πραγμάτων, ιπτάμενους σκίουρους, μετά από μια κοντινή μελέτη διατήρησης που τοποθέτησαν τα τρωκτικά με περιλαίμια GPS για να μελετήσουν τις μεταναστευτικές τους συνήθειες.) Τα επιμέρους παρατηρητήρια που αποτελούν το τηλεσκόπιο Event Horizon μπορεί να να είναι διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, αλλά κάθε τοποθεσία — από τον Νότιο Πόλο μέχρι την έρημο Ατακάμα μέχρι το ψηλότερο βουνό της Χαβάης — είναι αναμφισβήτητα απομακρυσμένη, όσο το δυνατόν πιο απομονωμένη από τον διαρκώς καταπατητικό θόρυβο της ανθρωπότητας.

Όσο απογοητευτικό κι αν είναι το γεγονός ότι η νέα τεχνολογία μπορεί να αυξήσει τον πολλαπλασιασμό του ραδιοφωνικού θορύβου, εγείρει επίσης μια δελεαστική πιθανότητα:Θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε κάποια μέρα τεχνητά ραδιοκύματα που δεν είναι δική μας κατασκευή;

Η ραδιοαστρονομία θεωρείται εδώ και καιρό ένας εξαιρετικός τρόπος αναζήτησης σημάτων από άλλους κόσμους. Στην πραγματικότητα, το πρώτο πείραμα ραδιοαστρονομίας μπορεί να εντοπιστεί πριν από τον Jansky έως τον Αύγουστο του 1924, όταν ο Άρης έκανε το πλησιέστερο πέρασμά του στη Γη εδώ και σχεδόν έναν αιώνα. Οι αστρονόμοι στις Ηνωμένες Πολιτείες διαφήμιζαν μια «Εθνική Ημέρα Σιωπής Ραδιοφώνου», ενθαρρύνοντας τους ανθρώπους να σταματήσουν να χρησιμοποιούν ραδιόφωνα σε τακτά χρονικά διαστήματα με την ελπίδα ότι ένα σήμα από γειτονικούς Αρειανούς θα μπορούσε να περάσει. Το Ναυτικό Παρατηρητήριο των Ηνωμένων Πολιτειών έστειλε ακόμη και έναν ραδιοφωνικό δέκτη ψηλά σε ένα dirigible για να πάρει ένα πιθανό μήνυμα στον Άρη, με έναν κρυπτογράφο σε ετοιμότητα σε περίπτωση που χρειάζονταν μεταφράσεις.

Σήμερα η αναζήτηση εξωγήινης νοημοσύνης, ή SETI, είναι μια σοβαρή επιστημονική προσπάθεια. Με αιχμή του δόρατος διάσημοι επιστήμονες όπως ο Frank Drake και η Jill Tarter, και χρησιμοποιώντας εγκαταστάσεις όπως το Allen Telescope Array στην Καλιφόρνια, οι ερευνητές του SETI ενστερνίζονται τις συναρπαστικές δυνατότητες ανακάλυψης που προσφέρει το καθεστώς ραδιοφώνου. Εξάλλου, τα ίδια ραδιοκύματα που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων εδώ στη Γη ταξιδεύουν επίσης προς τα έξω, μεταδίδοντας ενδεικτικά σημάδια της τεχνολογικής μας ικανότητας στον κόσμο. Είναι απολύτως πιθανό μακρινοί πολιτισμοί να στέλνουν παρόμοια σήματα ή ακόμη και να προσπαθούν να μεταδώσουν μηνύματα επίτηδες, καθώς θα έχουν να κάνουν με το ίδιο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με εμάς.

Σαφώς, η ραδιοαστρονομία μας προσφέρει τεράστιες δυνατότητες:τη δυνατότητα να δούμε το αόρατο σε μια μακρινή μαύρη τρύπα, να ξετυλίξουμε συναρπαστική νέα φυσική και ενδεχομένως ακόμη και να βρούμε τα πρώτα μας στοιχεία εξωγήινης νοημοσύνης. Όσο αστεία κι αν φαίνονται στους αμύητους, τα ραδιοτηλεσκόπια είναι ένα ανεκτίμητο εργαλείο της αστρονομίας και ένα εργαλείο που θα συνεχίσει να αποκαλύπτει νέα μέρη του σύμπαντος για να τα εξερευνήσουμε.