Невидимі кольори: чому астрономи використовують різні радіодіапазони?

Радіосвітло надходить кольорами веселки. Ми бачимо ці кольори у радіодіапазонах, і кожен діапазон може розповісти свою історію про Всесвіт.

Радіоастрономи розглядають Всесвіт у кількох обсягах довжин хвиль, які ми називаємо діапазонами, пояснюють у Національній радіоастрономічній обсерваторії США. Дуже великий масив (VLA) використовує довжини хвиль від 4 метрів до менше сантиметра. Атакамський великий міліметровий/субміліметровий масив (ALMA) використовує радіодіапазони від кількох сантиметрів до третини міліметра. Але чому радіотелескопи використовують такі широкі обсяги довжин хвиль? Відповідь криється в багатьох способах, якими об’єкти виробляють радіовипромінювання, і в тому, як це світло взаємодіє з газом та пилом міжзоряного простору.

Великі довжини радіохвиль, як ті, що видимі в діапазоні 4 VLA, зазвичай виробляються іонізованим газом. Вони дозволяють нам побачити, де в нашій галактиці знаходиться гаряча плазма. Ці великі довжини хвиль корисні ще й тому, що більшість нейтральних газів прозорі на цих довжинах хвиль. Це означає, що дуже мало цього світла поглинається під час проходження через космос. Коротші довжини хвиль світла часто випромінюються окремими атомами або молекулами. Однією з найважливіших з них є 21-сантиметрова радіолінія, яку випромінює нейтральний водень. Ця довжина хвилі є одним з найкращих способів спостереження за розподілом матерії в галактиці, оскільки водень, безумовно, є найпоширенішим елементом у Всесвіті.

21-сантиметровий вид галактики Цівочне Колесо (M33). Веселка кольорів обумовлена обертанням галактики, від чого радіосвітло зміщується за ефектом Доплера. Credit: NRAO/AUI/NSF

Довжини хвиль у діапазоні від 10 до 20 см особливо підходять для радіоспостережень неба, таких як Опитування неба VLA (VLASS). Радіогалактики особливо яскраві в цьому діапазоні, як і джети, що випускаються надмасивними чорними дірами. При скануванні неба на цих довжинах хвиль, VLASS отримав зображення майже 10 мільйонів радіоджерел.

Виявлені за допомогою VLASS радіогалактики, підживлені чорними дірами. Credit: NRAO/AUI/NSF

Світло з довжиною хвилі у сантиметр або два часто випромінюється за допомогою процесу, відомого як синхротронне випромінювання. Коли електрони проносяться крізь сильне магнітне поле, магнітне поле змушує їх рухатися по траєкторії щільної спіралі вздовж ліній магнітного поля. Через це вони випромінюють радіосвітло. Синхротронне випромінювання особливо корисне при картографуванні магнітних полів поблизу чорних дір. Інший процес, що випромінює світло в цьому діапазоні, відомий як мазер або мікрохвильовий лазер. Нам більш відомі прості лазерні указки, які випромінюють когерентне червоне світло, але в міжзоряному просторі випромінювати когерентне світло з довжиною хвилі 1,3 сантиметра можуть водні кишені. Оскільки ці водні мазери випромінюють світло дуже специфічної довжини хвилі, їх можна використовувати для вимірювання швидкості розширення Всесвіту.

Радіохвилі довжиною близько міліметра особливо корисні для вивчення холодного газу та пилу. Пилові зерна в міжзоряному просторі випромінюють світло з довжиною хвилі, рівній їх розміру, а оскільки більша частина цього пилу має розмір близько міліметра, саме на цій довжині хвилі вони випромінюють найбільше світла. Ці короткі хвилі важко спостерігати частково тому, що наша атмосфера поглинає велику частину світла на цих довжинах хвиль. Але вони також життєво важливі для вивчення молодих планетних систем. ALMA зміг захопити зображення дисків газу та пилу навколо молодих зірок і навіть те, як у цих дисках утворюються прогалини, коли починають формуватися молоді планети. Це революціонізує наше розуміння того, як формуються екзопланети.

Зображення молодої зорі HL Tau та її протопланетного диска від обсерваторії ALMA. Одне з найкращих зображень утворення планет, воно показує численні кільця та прогалини, які віщують присутність планет, що виникають у міру того, як очищають свої орбіти від пилу та газу. Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO); C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Але, мабуть, один з найцікавіших радіодіапазонів — це діапазон 6 ALMA, який вловлює світло з довжиною хвилі від 1,1 до 1,4 мм. Він був використаний для вивчення того, як зорі-червоні гіганти генерують тепло, та розподілу молекул у планетарних туманностях. Але він також використовувався для створення одного з найпотужніших радіозображень останніх років — зображення надмасивної чорної діри в центрі галактики M87. Приймачі діапазону 6 використовувалися на радіотелескопах по всьому світу як частина Телескопу горизонту подій (EHT), а зібрані ними дані були об’єднані для створення першого прямого зображення чорної діри.

Радіосвітло невидиме для наших очей, тому легко вважати, що все радіосвітло однакове. Але радіовипромінювання наповнене кольорами, як і кольори видимого світла, яке ми можемо побачити, і радіоастрономія стає найсильнішою, коли ми використовуємо всі кольори її веселки.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.