Невидимые цвета: почему астрономы используют разные радиодиапазоны?

Радиосвет поступает цветами радуги. Мы видим эти цвета в радиодиапазоне, и каждый диапазон может рассказать свою историю о Вселенной.

Радиоастрономы рассматривают Вселенную в нескольких рядах длин волн, которые мы называем диапазонами, объясняют в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Очень большой массив (VLA) использует длины волн от 4 метров до менее сантиметра. Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA) использует радиодиапазоны от нескольких сантиметров до трети миллиметра. Но почему радиотелескопы используют такие широкие ряды длин волн? Ответ кроется во многих способах, которыми объекты испускают радиоизлучение, и в том, как этот свет взаимодействует с газом и пылью межзвездного пространства.

Большие длины радиоволн, как те, которые видны в диапазоне 4 VLA, обычно производятся ионизированным газом. Они позволяют нам увидеть, где в нашей галактике находится горячая плазма. Эти большие длины волн полезны еще и потому, что большинство нейтральных газов прозрачные на этих длинах волн. Это означает, что очень мало этого света поглощается при прохождении через космос. Более короткие длины волн света часто излучаются отдельными атомами или молекулами. Одной из важнейших из них является 21-сантиметровая радиолиния, которую излучает нейтральный водород. Эта длина волны является одним из лучших способов наблюдения за распределением материи в галактике, поскольку водород, безусловно, является самым распространенным элементом во Вселенной.

21-сантиметровый вид галактики Вертушка (M33). Радуга цветов обусловлена вращением галактики, от чего радиосвет смещается по эффекту Доплера. Credit: NRAO/AUI/NSF

Длины волн в диапазоне от 10 до 20 см особенно подходят для радионаблюдений неба, как Опрос неба VLA (VLASS). Радиогалактики особенно яркие в этом диапазоне, как и джеты, выпускаемые сверхмассивными черными дырами. При сканировании неба на этих длинах волн, VLASS получил изображения почти 10 миллионов радиоисточников.

Выявленные с помощью VLASS радиогалактики, подпитанные черными дырами. Credit: NRAO/AUI/NSF

Свет с длиной волны в сантиметр или два часто излучается с помощью процесса, известного как синхротронное излучение. Когда электроны проносятся сквозь сильное магнитное поле, магнитное поле заставляет их двигаться по траектории плотной спирали вдоль линий магнитного поля. Из-за этого они излучают радиосвет. Синхротронное излучение особенно полезно при картографировании магнитных полей вблизи черных дыр. Другой процесс, излучающий свет в этом диапазоне, известен как мазер или микроволновый лазер. Нам более известны простые лазерные указки, которые излучают когерентный красный свет, но в межзвездном пространстве излучать когерентный свет с длиной волны 1,3 сантиметра могут водные карманы. Поскольку эти водные мазеры излучают свет очень специфической длины волны, их можно использовать для измерения скорости расширения Вселенной.

Радиоволны длиной около миллиметра особенно полезны для изучения холодного газа и пыли. Пылевые зерна в межзвездном пространстве излучают свет с длиной волны, равной их размеру, а поскольку большая часть этой пыли имеет размер около миллиметра, именно на этой длине волны они излучают больше света. Эти короткие волны трудно наблюдать отчасти потому, что наша атмосфера поглощает большую часть света на этих длинах волн. Но они также жизненно важны для изучения молодых планетных систем. ALMA смог захватить изображения дисков газа и пыли вокруг молодых звезд и даже то, как в этих дисках образуются пробелы, когда начинают формироваться молодые планеты. Это революционизирует наше понимание того, как формируются экзопланеты.

Изображение молодой звезды HL Tau и ее протопланетного диска от обсерватории ALMA. Одно из лучших изображений образования планет, оно показывает многочисленные кольца и пробелы, которые предвещают присутствие планет, возникающих по мере того, как очищают свои орбиты от пыли и газа. Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO); C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Но, пожалуй, один из самых интересных радиодиапазонов — это диапазон 6 ALMA, который улавливает свет с длиной волны от 1,1 до 1,4 мм. Он был использован для изучения того, как звезды-красные гиганты генерируют тепло, и распределения молекул в планетарных туманностях. Но он также использовался для создания одного из самых мощных радиоизображений последних лет — изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87. Приемники диапазона 6 использовались на радиотелескопах по всему миру как часть Телескопа горизонта событий (EHT), а собранные ими данные были объединены для создания первого прямого изображения черной дыры.

Радиосвет невидим для наших глаз, поэтому легко считать, что весь радиосвет одинаков. Но радиоизлучение наполнено цветами, как и цвета видимого света, который мы можем увидеть, и радиоастрономия становится более сильной, когда мы используем все цвета ее радуги.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.