Twoja wyszukiwarka

LESZEK P. BŁASZKIEWICZ
CZY ZAGŁUSZYMY KOSMOS?
Wiedza i Życie nr 3/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/2001

Odkrycia dokonywane przez radioastronomów przyczyniły się do rozwoju wielu gałęzi współczesnej astrofizyki. Niestety, postęp techniczny, jaki zainspirowała ta gałąź nauki, obraca się dziś przeciwko niej samej.

Początki radioastronomii sięgają 1932 roku, kiedy to Karl Jansky, wówczas pracownik Laboratorium Bella, badał tzw. szumy, które utrudniały radiową komunikację transatlantycką. Stwierdził on, że część szumów zakłócających sygnał na częstotliwości 20 MHz (fale o długości 15 m) pochodzi spoza Ziemi i jest związana z Drogą Mleczną. Pierwsze obserwacje radioastronomiczne z prawdziwego zdarzenia rozpoczął w 1939 roku amerykański radioamator Grote Reber, który posługiwał się samodzielnie zbudowanym radioteleskopem o średnicy 10 m. On też sporządził pierwsze radiowe mapy nieba na częstotliwościach 160 oraz 64 MHz.

Od radaru do Nobla

II wojna światowa spowodowała rozwój technik radarowych, co z kolei przyspieszyło rozwój radioastronomii. W 1947 roku w Manchesterze (Anglia) oddano do użytku radioteleskop o średnicy 67 m. Dziesięć lat później, również w Manchesterze, powstał radioteleskop o średnicy 76 m, który przez wiele lat był największym tego typu przyrządem na świecie. Obecnie rekordzistą jest znajdujący się w Arecibo na wyspie Puerto Rico radioteleskop o średnicy 305 m. Jest on jednak nieruchomy i obserwuje tylko te obiekty, które trafiają w jego pole widzenia dzięki ruchowi obrotowemu Ziemi. Największy na świecie w pełni sterowalny radioteleskop, mogący obserwować dowolnie wybrane obiekty, pracuje od kilku miesięcy w Amerykańskim Narodowym Obserwatorium Astronomicznym w Green Bank. Jego czasza, której zadaniem jest skupianie płynących z kosmosu fal radiowych, ma wymiary 100x110 m . Największy polski radioteleskop (również w pełni sterowalny) ma średnicę 32 m. Należy do Katedry Radioastronomii Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika i znajduje się w miejscowości Piwnice pod Toruniem.

Chcąc obserwować coraz słabsze radioźródła i coraz drobniejsze szczegóły ich budowy, musimy konstruować coraz większe radioteleskopy. Rozmiary największych tego typu urządzeń zbliżyły się już do granicy wyznaczonej względami technicznymi i ekonomicznymi. Ograniczenia te można jednak obejść, wykorzystując zjawisko interferencji, czyli nakładania się fal radiowych odbieranych przez co najmniej dwa przyrządy, które jednocześnie obserwują ten sam obiekt. Dziś do obserwacji wykorzystuje się całe zestawy radioteleskopów, złożone z dziesiątek przyrządów rozmieszczonych na olbrzymich obszarach. Z odbieranych przez nie sygnałów można elektronicznie złożyć obrazy radioźródeł tak samo dokładne jak te, które otrzymalibyśmy za pomocą pojedynczego przyrządu o rozmiarach całego zestawu . Największy obecnie zestaw radioteleskopów nosi nazwę VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Jego elementy są rozmieszczone na całej powierzchni naszej planety, a w niektórych obserwacjach dodatkowo wykorzystuje się radioteleskop znajdujący się w przestrzeni kosmicznej. Pionierem techniki składania obrazów, fachowo zwanej syntezą apertury, był pracujący na uniwersytecie w Cambridge Martin Ryle. W 1974 roku jego wkład do radioastronomii został uhonorowany Nagrodą Nobla.

Pierwsze odkrycie

W 1944 roku holenderski astronom Hendrik van de Hulst wykazał, że międzygwiazdowe obłoki wodorowe mogą być obserwowane na częstotliwości 1.43 GHz (długość fali 21 cm). Przewidziane przez niego promieniowanie zaobserwowano w 1951 roku, zyskując tym samym potężne narzędzie do badania materii międzygwiazdowej. Kolejne odkrycia potoczyły się już lawinowo i to w takiej liczbie, że nie sposób tutaj wszystkich wymienić. Warto jednak wspomnieć o kilku milowych krokach radioastronomii, dzięki którym wydatnie wzrosła nasza wiedza o Wszechświecie.

"Nibygwiazdy" na krańcach kosmosu

Pierwszym takim krokiem było odkrycie kwazarów, którego dokonano na początku lat sześćdziesiątych . Nazwa kwazar pochodzi od angielskiego określenia quasi-stellar radio source (radioźródło gwiazdopodobne). Kwazary wyglądają jak zwyczajne gwiazdy, różnią się jednak od nich widmami. Przypomnijmy, że widmo obiektu otrzymuje się, analizując jego światło za pomocą przyrządu zwanego spektrografem, w którym ulega ono rozszczepieniu w mniej więcej taki sam sposób jak po przejściu przez zwykły pryzmat. W typowym widmie gwiazdowym na tęczowym tle widać ciemne prążki linii widmowych, w których ukryte są informacje o ruchach obiektu, panujących w nim warunkach fizycznych i o jego składzie chemicznym. Linii występujących w widmach kwazarów przez długi czas nie można było zidentyfikować. Udało się to dopiero wtedy, gdy założono, że "nibygwiazdy" oddalają się od nas z szybkościami bliskimi prędkości światła (co w rozszerzającym się Wszechświecie oznacza, że są od nas odległe o miliardy lat świetlnych). Znając odległości dzielące nas od kwazarów, stwierdzono następnie, iż przeciętny obiekt tego typu emituje w ciągu sekundy tyle energii, ile Słońce w ciągu milionów lat. Obecnie przyjmuje się, że energia ta jest wyzwalana podczas spadania materii na olbrzymią czarną dziurę, której masa może sięgać miliarda mas Słońca.

Echo Wielkiego Wybuchu

O ile trudno jednoznacznie wskazać odkrywcę kwazarów, o tyle nazwiska autorów drugiego milowego kroku są bardzo dobrze znane. W 1965 roku w Laboratorium Bella, znajdującym się w miejscowości Holmdel w stanie New Jersey, przeprowadzano testy wielkiej anteny radiowej, wykorzystywanej do łączności satelitarnej. Pracownicy laboratorium, Arno Penzias i Robert Wilson, odkryli wówczas niezwykłe "szumy" radiowe, których źródłem zdawał się być cały nieboskłon. Wpadli w ten sposób na trop wyemitowanego w zaraniu dziejów Wszechświata promieniowania reliktowego. Jest ono jednym z koronnych dowodów poprawności hipotezy o Wielkim Wybuchu, na której opiera się cała współczesna kosmologia. W 1978 roku jego odkrywcy otrzymali Nagrodę Nobla.

Kosmiczne radiolatarnie

Już w latach trzydziestych astrofizycy przewidywali, że gwiazda o masie co najmniej dziesięciokrotnie większej od masy Słońca kończy życie, wybuchając jako supernowa, i że w trakcie wybuchu z jej wewnętrznych warstw powstaje supergęsty obiekt tzw. gwiazda neutronowa . W 1967 roku Jocelyn Bell, studentka Cambridge University, badała wpływ aktywności Słońca na promieniowanie pochodzące z odległych radioźródeł. Oglądając taśmę z zapisem obserwacji, zauważyła wyraźne "pulsy" (krótkotrwałe wzrosty intensywności emisji radiowej), które powtarzały się regularnie co 1.337 s. Początkowo interpretowano je jako sygnały nadawane przez obce cywilizacje. Wkrótce jednak znaleziono więcej takich radioźródeł i wykazano, iż regularne pulsy radiowe mogą być emitowane przez gwiazdy neutronowe. Nowo odkrytym obiektom nadano nazwę pulsarów (od ang. pulsating star). Pulsar odkryty przez Jocelyn Bell nosi dziś nazwę PSR1919+21 pierwszy człon jest skrótem słowa pulsar, zaś drugi podaje astronomiczne współrzędne źródła umożliwiające jego odszukanie na niebie. Odkrycie pulsarów również uhonorowano w 1974 roku Nagrodą Nobla. Przyznano ją jednak nie Jocelyn Bell, lecz jej opiekunowi naukowemu, Anthony'emu Hewishowi (otrzymał ją wraz z Martinem Ryle'em).

Maser między gwiazdami

W połowie lat sześćdziesiątych zespół Alana Barreta z Massachusetts Institute of Technology zaobserwował promieniowanie radiowe emitowane przez znajdujące się w przestrzeni międzygwiazdowej cząsteczki grupy hydroksylowej OH. Podobnie jak w przypadku kwazarów pewne cechy tego promieniowania (przede wszystkim jego natężenie) okazały się bardzo odporne na wszelkie próby objaśnień teoretycznych. Aby je zrozumieć, trzeba było przyjąć bardzo śmiałe założenie, zgodnie z którym w kosmosie miały funkcjonować gigantyczne masery (radiowe odpowiedniki znacznie lepiej znanych laserów). W następnych latach odkryto emisję maserową wielu innych cząsteczek znajdujących się w przestrzeni kosmicznej (m.in. cząsteczek wody). Pochodzi ona nie tylko ze źródeł położonych w naszej Galaktyce, lecz także z innych galaktyk. W bardzo wąskim zakresie częstotliwości kosmiczny maser może emitować nawet 10 tysięcy razy więcej energii niż nasze Słońce we wszystkich długościach fal (od radiowych po rentgenowskie). Gdyby z równie wysoką wydajnością emitował promieniowanie w całym widmie elektromagnetycznym, wyzwalałby tyle energii, co miliony słońc!

Ani masery, ani megamasery międzygwiazdowe nie są oczywiście urządzeniami skonstruowanymi przez obce cywilizacje. Emisja maserowa jest wzbudzana w naturalny sposób w obłokach międzygwiazdowych, które mają odpowiednio wysokie gęstości i znajdują się w pobliżu silnych źródeł promieniowania widzialnego i ultrafioletowego.

Einstein i planety

Czasem znaczący wkład do naszej wiedzy o Wszechświecie wnoszą nie spektakularne odkrycia, lecz zwyczajne, wręcz rutynowe obserwacje. W 1974 roku w trakcie takich właśnie badań Russell A. Hulse i Joseph H. Taylor Jr. stwierdzili, iż pulsar PSR1913+16 jest jednym ze składników układu podwójnego. Po pewnym czasie zauważyli, że okres orbitalny układu (czas, w którym składniki obiegają się nawzajem) staje się coraz krótszy. Po dokładnym zmierzeniu tempa tego skracania przekonali się, że niemal idealnie odpowiada ono przewidywaniom teoretycznym, zgodnie z którymi całe zjawisko jest spowodowane przez emisję fal grawitacyjnych. Uzyskali w ten sposób najsilniejszy ze znanych nam dowodów na poprawność ogólnej teorii względności. Także i w tym przypadku uznano, iż ich praca zasługuje na Nagrodę Nobla. Hulse i Taylor zostali laureatami tego zaszczytnego wyróżnienia w 1993 roku, otrzymując trzeciego "radioastronomicznego" Nobla na ogólną liczbę czterech, które dotychczas przyznano astronomom. Oto do czego można dojść, mając do dyspozycji jedynie szeregi pulsów!

Odkrycie Hulse'a i Taylora mogło być należycie docenione jedynie przez specjalistów. Zdarza się jednak, i to wcale nierzadko, że radioastronomowie wprost nie mogą opędzić się od dziennikarzy, a ich prace są relacjonowane we wszystkich mediach. Takie właśnie powszechne zainteresowanie wzbudził kilka lat temu prof. Aleksander Wolszczan, polski radioastronom, który w trakcie rutynowych obserwacji pulsara PSR1257+12 odkrył okrążający go układ planetarny pierwszy, który poznaliśmy poza Układem Słonecznym. Dla specjalistów była to niespodzianka raczej niemiła: zostali zmuszeni do gruntownego przemyślenia teorii opisującej formowanie się planet, która takiego przypadku zupełnie nie przewidywała...

Problematyczna przyszłość

Jak więc widać, nie ma żadnej przesady w stwierdzeniu, że bez radioastronomii nasz obraz Wszechświata byłby bardzo ubogi. Radiowy podbój kosmosu trwa w najlepsze, a jakość obserwacji radioastronomicznych poprawia się z roku na rok dzięki coraz nowszym, unikalnym rozwiązaniom stosowanym w budowie odbiorników promieniowania radiowego. Prowadzimy dziś badania na częstotliwościach, które do niedawna były całkowicie niedostępne (nawet w okolicach 700 GHz, czyli w zakresie submilimetrowym).

Choć na ogół nie zdajemy sobie z tego sprawy, radioastronomia ma także olbrzymie znaczenie praktyczne. Produkty i techniki stworzone lub zainspirowane przez radioastronomów towarzyszą nam dziś niemal wszędzie. Przyszłość tej tak zasłużonej i jednocześnie tak pożytecznej gałęzi nauki nie przedstawia się jednak w różowych barwach. Wiele rozwiązań technicznych, do których doszliśmy za pomocą radioastronomii, obraca się teraz przeciwko niej samej. Głównym zagrożeniem jest niepohamowany rozwój telekomunikacji. Na potrzeby łączności przeznacza się coraz więcej pasm radiowych i mikrofalowych, a coraz częstsze i silniejsze zakłócenia utrudniają lub wręcz uniemożliwiają obserwacje.

Kilka miesięcy temu Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna ugięła się pod naciskiem Unii Astronomicznej i podjęła uchwałę o ochronie wszystkich częstotliwości między 71 i 275 GHz. Wydzielenie radioastronomom wąskiego "okienka", przez które pozwala im się oglądać Wszechświat, nie rozwiązuje jednak wszystkich problemów. Zabrzmi to gorzko, ale w niedalekiej przyszłości najbliższym miejscem całkowicie wolnym od zakłóceń będzie... niewidoczna z Ziemi strona Księżyca. Niewykluczone więc, że w XXI wieku radioastronomia zostanie zmuszona do ucieczki przed cywilizacją, którą pomogła stworzyć.

Pożytki z radioastronomii

Wyniki obserwacji radioastronomicznych nie są specjalnie ciekawe dla laika, dopiero płynące z nich wnioski, a przede wszystkim używane w radioastronomii rozwiązania techniczne często znajdują zastosowanie w dziedzinach bardzo od radioastronomii odległych. Radioastronomii zawdzięczamy m.in.:

  • Duży postęp w konstrukcji bardzo czułych odbiorników radiowych (choć występuje tu rodzaj wzajemności, bo wzmacniacze o bardzo niskim poziomie szumów są zaadoptowanym przez radioastronomię wytworem telekomunikacji satelitarnej);
  • Możliwość zdalnego odczytu temperatury ciała ludzkiego metodą termografii (przy wykorzystaniu mikrofal o częstotliwości ok. 45 GHz);
  • Metody detekcji nowotworów techniką podobną do obserwacji interferometrycznych przy użyciu fal o częstotliwości ok. 10 GHz;
  • Komputeryzację tomografii rentgenowskiej (wykorzystano tu algorytmy opracowane pierwotnie przy obserwacjach radioźródeł astronomicznych, osiągając dużą poprawę jakości zdjęć tomograficznych);
  • Możliwość wykrywania pożarów lasów przy użyciu detektorów promieniowania mikrofalowego. Detektory zainstalowane na pokładach satelitów mogą lokalizować pożary w miejscach całkowicie niedostępnych;
  • Metody detekcji obiektów ruchomych i pomiaru szybkości ich ruchu dzięki zjawisku Dopplera (co pierwotnie miało zastosowanie w radiowych obserwacjach meteorów);
  • Możliwość obserwacji zanieczyszczeń w rozległych obszarach atmosfery ziemskiej technikami teledetekcji, czyli wykrywania na odległość. Obszary zanieczyszczone lub skażone emitują promieniowanie związane z rodzajem zanieczyszczenia, które może być obserwowane przez czułe detektory satelitarne;
  • Rutynową już dziś możliwość monitorowania pogody za pomocą różnego rodzaju odbiorników promieniowania umieszczonych na pokładach satelitów meteorologicznych. Łącząc dane uzyskane w kilku częstotliwościach, otrzymujemy kompletną informację o stanie atmosfery;
  • Metody pomiaru szybkości ruchu obrotowego Ziemi, dryfu kontynentów i przemieszczania się biegunów oraz metody bardzo dokładnego wyznaczania współrzędnych geograficznych;
  • Perspektywiczną możliwość przewidywania trzęsień ziemi na podstawie obserwacji odkształceń skorupy ziemskiej.

Trzeba też wspomnieć, że radioastronomia wymaga stosowania bardzo skomplikowanych metod komputerowych oraz wysublimowanych technik elektronicznych, co powoduje, że w instytutach radioastronomicznych kształci się wysokiej klasy fachowców, którzy mogą pracować w wielu różnych zawodach.

Pierwszy pozasłoneczny układ planetarny odkryto dzięki radiowym obserwacjom pulsara. Autorem odkrycia jest polski astronom, prof. Aleksander Wolszczan. rysunek pokazuje rozmieszczenie planet w układzie pulsara i - w tej samej skali - w Układzie Słonecznym. Skala podaje odległość od ciała centeralnego w jednostkach astronomicznych.

Mgr LESZEK P. BŁASZKIEWICZ jest doktorantem w Katedrze Radioastronomii Centrum Astronomii UMK w Toruniu. Zajmuje się badaniem maserów w otoczkach gwiazdowych; interesują go także zagadnienia związane z kosmologią i filozofią nauki.