Невидимые цвета: почему астрономы используют разные радиодиапазоны для наблюдения за Вселенной

Радиосвет бывает разных цветов. Мы видим эти цвета на радиодиапазонах, и у каждого диапазона есть что рассказать о Вселенной.

Радиоастрономы рассматривают Вселенную в нескольких диапазонах длин волн, которые мы называем диапазонами. Очень большая матрица (VLA) использует длины волн от 4 метров до менее сантиметра. Большая миллиметровая / субмиллиметровая матрица Atacama (ALMA) использует радиодиапазоны от пары сантиметров до трети миллиметра. Но почему радиотелескопы используют такой широкий диапазон длин волн? Ответ заключается во многих способах излучения объектов радиосветом и во взаимодействии этого света с газом и пылью межзвездного пространства.

Длинные радиоволны, такие как те, которые видит диапазон 4 VLA, обычно производятся ионизированным газом. Это позволяет нам увидеть, где жарко плазма находится в нашей галактике. Эти длинные волны также полезны, потому что большинство нейтральных газов прозрачны на этих длинах волн. Это означает, что очень мало света поглощается при перемещении в космосе. Свет с более короткими длинами волн часто излучается отдельными атомами или молекулами. Одна из самых важных из них - линия длиной 21 сантиметр, которую излучает нейтральный водород. Эта длина волны - один из лучших способов наблюдать за распределением вещества в галактике, поскольку водород является самым распространенным элементом во Вселенной.

Длины волн в диапазоне от 10 до 20 см особенно хороши для радиообзоров неба, таких как VLA Sky Survey (VLASS). Радиогалактики особенно ярки в этом диапазоне, как и джеты, излучаемые сверхмассивными объектами. черных дыр. Сканируя небо на этих длинах волн, VLASS получил изображения почти 10 миллионов радиоисточников.

Радиогалактики на основе черных дыр, открытые VLASS. Кредит: NRAO / AUI / NSF

Свет с длиной волны в один-два сантиметра часто излучается посредством процесса, известного как синхротронное излучение. Когда электроны движутся через сильное магнитное поле, магнитное поле заставляет их двигаться по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Из-за этого они излучают радиосвет. Синхротронное излучение особенно полезно при картировании магнитных полей около черных дыр. Другой процесс, излучающий свет в этом диапазоне, известен как мазер или микроволновый лазер. Мы больше всего знакомы с простыми лазерными указками, которые излучают когерентный красный свет, но в межзвездном пространстве водные карманы могут излучать когерентный свет с длиной волны 1.3 сантиметра. Поскольку эти водные мазеры излучают свет очень определенной длины, их можно использовать для измерения скорости расширения Вселенной.

Радиоволны порядка миллиметра особенно полезны для изучения холодного газа и пыли. Частицы пыли в межзвездном пространстве излучают свет с длинами волн порядка их размера, и, поскольку большая часть этой пыли имеет размер около миллиметра, это длина волны, на которой они излучают больше всего света. Эти короткие длины волн могут быть трудными для наблюдения, отчасти потому, что наша атмосфера поглощает большую часть света на этих длинах волн. Но они также жизненно важны для изучения молодых планетных систем. ALMA удалось захватить диски из газа и пыли вокруг молодых звезд и даже увидеть, как в этих дисках образуются зазоры, когда начинают формироваться молодые планеты. Это революционизирует наше понимание того, как образуются экзопланеты.

Изображение молодой звезды HL Tau и ее протопланетного диска обсерваторией ALMA. Это одно из лучших изображений формирования планет, на котором видно множество колец и промежутков, которые предвещают присутствие появляющихся планет, очищающих свои орбиты от пыли и газа. Предоставлено: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); К. Броган, Б. Сакстон (NRAO / AUI / NSF)

Но, пожалуй, одним из наиболее интересных радиодиапазонов является Band 6 от ALMA, который улавливает свет с длинами волн от 1.1 до 1.4 мм. Его использовали для изучения того, как красные звезды-гиганты генерируют тепло, а также для изучения распределения молекул в планетарных туманностях. Но он также использовался для создания одного из самых мощных радиоизображений последних лет - изображения сверхмассивного черная дыра в самом сердце галактики M87. Приемники диапазона 6 использовались на радиотелескопах по всему миру как часть телескопа Event Horizon (EHT), и собранные ими данные были объединены для создания первого прямого изображения черной дыры.

Радиосвет невидим для наших глаз, поэтому легко думать обо всех радиосветах как об одном и том же. Но радио наполнено цветами, точно так же, как цвета видимого света, и радиоастрономия становится наиболее мощной, когда мы используем все цвета его радуги.