Použitie mikrovlnnej astronómie na objavenie vesmíru

Nie je veľa ľudí premýšľať o kozmických mikrovlnách, keď každý deň obedujú svoje jedlo na obed. Rovnaký typ žiarenia, aký používa mikrovlnná rúra na zapínanie burrita, pomáha astronómom skúmať vesmír. Je to pravda: mikrovlnné emisie z vesmíru pomáhajú nahliadnuť späť do detstva vo vesmíre.

Fascinujúci súbor predmetov vysiela mikrovlny do vesmíru. Najbližším zdrojom suchozemských mikrovĺn je zdroj naše Slnko. Konkrétne vlnové dĺžky mikrovln, ktoré vysiela, sú absorbované našou atmosférou. Vodná para v našej atmosfére môže rušiť detekciu mikrovlnného žiarenia z vesmíru, absorbovať ho a brániť tomu, aby sa dostal na zemský povrch. To učilo astronómov, ktorí študujú mikrovlnné žiarenie vo vesmíre, aby umiestnili svoje detektory vo vysokých nadmorských výškach na Zemi alebo von vo vesmíre.

Na druhej strane, mikrovlnné signály, ktoré môžu preniknúť do oblakov a dymu, môžu pomôcť vedcom študovať podmienky na Zemi a zlepšujú satelitné komunikácie. Ukazuje sa, že mikrovlnná veda je prospešná v mnohých ohľadoch.

Mikrovlnné signály prichádzajú na veľmi dlhé vlnové dĺžky. Ich detekcia vyžaduje veľmi veľké ďalekohľady, pretože veľkosť detektora musí byť mnohonásobne väčšia ako samotná vlnová dĺžka žiarenia. Najznámejšie observatóriá mikrovlnnej astronómie sú vo vesmíre a odhalili podrobnosti o objektoch a udalostiach až po začiatok vesmíru.

Naše vlastné centrum Mliečna dráha je zdroj mikrovĺn, hoci nie je taký rozsiahly ako v iných aktívnejších galaxiách. Naša čierna diera (nazývaná Strelec A *) je pomerne tichá. Nezdá sa, že by mal masívny prúd, a iba občas sa živí hviezdami a iným materiálom, ktorý prechádza príliš blízko.

pulzary (rotujúce neutrónové hviezdy) sú veľmi silnými zdrojmi mikrovlnného žiarenia. Tieto silné a kompaktné objekty sú z hľadiska hustoty na druhom mieste čiernymi dierami. Neutrónové hviezdy majú silné magnetické pole a vysoké rýchlosti rotácie. Vytvárajú široké spektrum žiarenia, pričom emisie mikrovln sú obzvlášť silné. Väčšina pulzarov sa zvyčajne označuje ako „rádio pulzary“ kvôli ich silným emisiám rádia, ale môžu byť tiež „mikrovlnne žiarivé“.

Mnoho fascinujúcich zdrojov mikrovĺn leží dobre mimo našej slnečnej sústavy a galaxie. Napríklad aktívne galaxie (AGN), poháňané supermasívne čierne diery na svojich jadrách emitujú silné výbuchy mikrovĺn. Okrem toho môžu tieto motory s čiernymi dierami vytvárať obrovské prúdy plazmy, ktoré tiež jasne žiaria na mikrovlnné vlnové dĺžky. Niektoré z týchto plazmatických štruktúr môžu byť väčšie ako celá galaxia, ktorá obsahuje čiernu dieru.

V roku 1964 vedci z Princetonskej univerzity David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke a Peter Roll sa rozhodli postaviť detektor, ktorý bude hľadať kozmické mikrovlny. Neboli jediní. Dvaja vedci z Bell Labs - Arno Penzias a Robert Wilson - tiež stavali „roh“ na hľadanie mikrovĺn. Takéto žiarenie sa predpokladalo začiatkom 20. storočia, ale nikto nič neurobil s jeho vyhľadaním. Merania vedcov z roku 1964 ukázali slabé „pranie“ mikrovlnného žiarenia po celej oblohe. Teraz sa ukazuje, že slabá mikrovlnná žiara je kozmický signál z raného vesmíru. Penzias a Wilson ďalej získali Nobelovu cenu za merania a analýzy, ktoré vykonali a ktoré viedli k potvrdeniu kozmického mikrovlnného pozadia (CMB).

Astronómovia nakoniec dostali prostriedky na vybudovanie kozmických mikrovlnných detektorov, ktoré môžu poskytovať lepšie údaje. Napríklad družica Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) vypracovala podrobnú štúdiu o tomto CMB začiatkom roku 1989. Odvtedy detegovali toto žiarenie ďalšie pozorovania pomocou Wilkinsonovej mikrovlnnej anizotropnej sondy (WMAP).

CMB je dosvit veľkého tresku, udalosti, ktorá uviedla náš vesmír do pohybu. Bolo to neuveriteľne horúce a energické. Ako sa novorodenecký vesmír rozširoval, hustota tepla klesla. V podstate sa ochladilo a aké malé množstvo tepla sa rozšírilo na väčšiu a väčšiu plochu. Dnes je vesmír široký 93 miliárd svetelných rokov a CMB predstavuje teplotu asi 2,7 kelvinov. Astronómovia považujú túto difúznu teplotu ako mikrovlnné žiarenie a používajú menšie výkyvy v „teplote“ CMB, aby sa dozvedeli viac o pôvode a vývoji vesmíru.

Mikrovlny vysielajú pri frekvenciách 0,3 GHz až 300 GHz. (Jeden gigahertz sa rovná jednej miliarde Hertzov. „Hertz“ sa používa na opis toho, koľko cyklov za sekundu niečo emituje, pričom jeden Hertz je jeden cyklus na sekundu.) Tento rozsah frekvencií zodpovedá vlnovým dĺžkam medzi milimetrom (tisícina metra) a meter. Pre informáciu, emisie televízneho a rozhlasového vysielania emitujú v spodnej časti spektra medzi 50 a 1 000 Mhz (megahertz).

Mikrovlnné žiarenie je často popisované ako nezávislé pásmo žiarenia, ale je tiež považované za súčasť vedy o rádioastronómii. Astronómovia často označujú žiarenie s vlnovými dĺžkami v vzdialené infračervené, mikrovlnné a vysokofrekvenčné (UHF) rádiové pásma ako súčasť „mikrovlnného“ žiarenia, aj keď sú to technicky tri samostatné energetické pásma.