Použití mikrovlnné astronomie k prozkoumání kosmu

Není mnoho lidí, kteří přemýšlejí o kosmických mikrovlnách, když každý den svádějí jídlo na oběd. Stejný typ záření, který mikrovlnná trouba používá k přepnutí burrita, pomáhá astronomům prozkoumat vesmír. Je to pravda: mikrovlnné emise z vesmíru pomáhají nahlédnout zpět do dětství vesmíru.

Fascinující sada objektů vysílá mikrovlny do vesmíru. Nejbližším zdrojem mimozemských mikrovln je naše Slunce. Specifické vlnové délky mikrovln, které vysílá, jsou absorbovány naší atmosférou. Vodní pára v naší atmosféře může rušit detekci mikrovlnného záření z vesmíru, absorbovat jej a bránit mu v dosažení zemského povrchu. To učilo astronomy, kteří studují mikrovlnné záření ve vesmíru, aby umístili své detektory ve vysokých nadmořských výškách na Zemi nebo ven ve vesmíru.

Na druhé straně, mikrovlnné signály, které mohou pronikat do mraků a kouře, mohou vědcům pomoci studovat podmínky na Zemi a zlepšit satelitní komunikaci. Ukázalo se, že mikrovlnná věda je v mnoha ohledech prospěšná.

Mikrovlnné signály přicházejí ve velmi dlouhých vlnových délkách. Jejich detekce vyžaduje velmi velké dalekohledy, protože velikost detektoru musí být mnohonásobně větší než samotná vlnová délka záření. Nejznámější observatoře mikrovlnné astronomie jsou ve vesmíru a odhalily podrobnosti o objektech a událostech až na začátek vesmíru.

Naše vlastní centrum galaxie Mléčná dráha je zdrojem mikrovln, i když není tak rozsáhlý jako v jiných aktivnějších galaxiích. Naše černá díra (zvaná Střelec A *) je poměrně tichá. Nezdá se, že by měl masivní paprsek, a jen občas se živí hvězdami a jinými materiály, které procházejí příliš blízko.

Pulsary (rotující neutronové hvězdy) jsou velmi silné zdroje mikrovlnného záření. Tyto výkonné, kompaktní objekty jsou z hlediska hustoty na druhém místě jen černé díry. Neutronové hvězdy mají silná magnetická pole a vysoké rychlosti rotace. Vytvářejí široké spektrum záření, přičemž emise mikrovln jsou zvláště silné. Většina pulsarů je obvykle označována jako "radio pulsary" kvůli jejich silným radiovým emisím, ale mohou být také "mikrovlnně jasný".

Mnoho fascinujících zdrojů mikrovln se nachází mimo naši sluneční soustavu a galaxii. Například aktivní galaxie (AGN), poháněné supermasivní černé díry na jejich jádrech, vysílat silné výbuchy mikrovln. Kromě toho tyto motory s černou dírou mohou vytvářet masivní paprsky plazmy, které také zářivě svítí na mikrovlnných vlnových délkách. Některé z těchto plazmatických struktur mohou být větší než celá galaxie, která obsahuje černou díru.

V roce 1964 vědci z Princetonské univerzity David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke a Peter Roll se rozhodli postavit detektor, který bude lovit kosmické mikrovlny. Nebyli jediní. Dva vědci z Bell Labs - Arno Penzias a Robert Wilson - také stavěli „roh“, aby hledali mikrovlny. Takové záření bylo předpovězeno na počátku 20. století, ale nikdo s tím nic nehledal. Měření vědců z roku 1964 ukázala slabé „mytí“ mikrovlnného záření po celé obloze. Nyní se ukazuje, že slabá mikrovlnná záře je kosmickým signálem z raného vesmíru. Penzias a Wilson dále vyhráli Nobelovu cenu za měření a analýzy, které provedli, což vedlo k potvrzení kosmického mikrovlnného pozadí (CMB).

Astronomové nakonec získali finanční prostředky na vybudování mikrovlnných detektorů založených na vesmíru, které mohou poskytovat lepší data. Například družice Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) provedla podrobnou studii o tomto CMB počínaje rokem 1989. Od té doby detekovala toto záření další pozorování provedená pomocí Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

CMB je dosvit velkého třesku, událost, která uvedla náš vesmír do pohybu. Bylo to neuvěřitelně horké a energické. Jak se novorozený vesmír rozšiřoval, hustota tepla klesala. V podstatě se ochladilo a jaké malé teplo se šířilo na větší a větší plochu. Dnes je vesmír široký 93 miliard světelných let a CMB představuje teplotu asi 2,7 Kelvina. Astronomové považují tuto difuzní teplotu za mikrovlnné záření a používají drobné výkyvy v „teplotě“ CMB, aby se dozvěděli více o původech a vývoji vesmíru.

Mikrovlny vyzařují při frekvencích mezi 0,3 GHz a 300 GHz. (Jeden gigahertz se rovná 1 miliardě Hertzů. "Hertz" se používá k popisu toho, kolik cyklů za sekundu něco emituje, přičemž jeden Hertz je jeden cyklus za sekunda.) Tento rozsah kmitočtů odpovídá vlnovým délkám mezi milimetrem (tisícina metru) a Metr. Pro informaci, emise televizního a rozhlasového vysílání vyzařují ve spodní části spektra, mezi 50 a 1000 Mhz (megahertz).

Mikrovlnné záření je často popisováno jako nezávislé pásmo záření, ale je také považováno za součást vědy o radioastronomii. Astronomové často odkazují na záření s vlnovými délkami v EU infračervené, mikrovlnná a ultrafrekvenční (UHF) rádiová pásma jako součást „mikrovlnného“ záření, i když jsou to technicky tři samostatná energetická pásma.