Bruke mikrobølge astronomi for å utforske kosmos

Det er ikke mange som tenker på kosmiske mikrobølger når de koser maten til lunsj hver dag. Den samme typen stråling som en mikrobølgeovn bruker for å zappe en burrito hjelper astronomer med å utforske universet. Det er sant: mikrobølgeutslipp fra verdensrommet er med på å gi et blikk tilbake i kosmos.

Et fascinerende sett med objekter sender ut mikrobølger i verdensrommet. Den nærmeste kilden til mikrobølger uten land er vår sol. De spesifikke bølgelengdene til mikrobølger som den sender ut absorberes av atmosfæren vår. Vanndamp i atmosfæren vår kan forstyrre deteksjonen av mikrobølgestråling fra verdensrommet, absorbere den og forhindre at den når jordens overflate. Det lærte astronomer som studerer mikrobølgestråling i kosmos å plassere detektorene sine i store høyder på Jorden, eller ute i verdensrommet.

På den annen side kan mikrobølgesignaler som kan trenge gjennom skyer og røyk hjelpe forskere med å studere forholdene på jorden og forbedre satellittkommunikasjonen. Det viser seg at mikrobølgeforskning er gunstig på mange måter.

Mikrobølgesignaler kommer i veldig lange bølgelengder. Detektering av dem krever veldig store teleskoper fordi størrelsen på detektoren må være mange ganger større enn selve strålingsbølgelengden. De mest kjente observasjonsorganene for mikrobølge astronomi er i verdensrommet og har avslørt detaljer om objekter og hendelser helt ut til begynnelsen av universet.

Vårt sentrum galaksen Melkeveien er en mikrobølgeovnskilde, selv om den ikke er så omfattende som i andre, mer aktive galakser. Vårt sorte hull (kalt Skytten A *) er ganske stille ettersom disse tingene går. Det ser ikke ut til å ha en massiv jet, og bare av og til livnærer seg på stjerner og annet materiale som passerer for nær.

pulsarer (roterende nøytronstjerner) er veldig sterke kilder til mikrobølgestråling. Disse kraftige, kompakte objektene er bare andre enn sorte hull når det gjelder tetthet. Neutronstjerner har kraftige magnetfelt og rask rotasjonshastighet. De produserer et bredt spekter av stråling, og mikrobølgeutslippet er spesielt sterkt. De fleste pulsarer blir vanligvis referert til som "radiopulsarer" på grunn av deres sterke radioutslipp, men de kan også være "mikrobølge-lyse."

Mange fascinerende kilder til mikrobølger ligger godt utenfor solsystemet og galaksen. For eksempel aktive galakser (AGN), drevet av supermassive sorte hull ved kjernene deres, avgir sterke sprengninger av mikrobølger. I tillegg kan disse sorte hullmotorene lage massive plasma-jetstråler som også lyser sterkt ved mikrobølgelengder. Noen av disse plasmakonstruksjonene kan være større enn hele galaksen som inneholder det sorte hullet.

I 1964 forskere fra Princeton University David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke, og Peter Roll bestemte seg for å bygge en detektor for å jakte på kosmiske mikrobølger. De var ikke de eneste. To forskere ved Bell Labs - Arno Penzias og Robert Wilson - bygde også et "horn" for å søke etter mikrobølger. Slik stråling var blitt forutsagt på begynnelsen av 1900-tallet, men ingen hadde gjort noe med å søke den ut. Forskernees måling fra 1964 viste en svak "vask" av mikrobølgestråling over hele himmelen. Det viser seg nå at den svake mikrobølgeflokken er et kosmisk signal fra det tidlige universet. Penzias og Wilson vant en Nobelpris for målingene og analysene de gjorde som førte til bekreftelse av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB).

Etter hvert fikk astronomer midler til å bygge rombaserte mikrobølgedetektorer, som kan levere bedre data. For eksempel foretok satellitten Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) en detaljert studie av denne CMB fra 1989. Siden den gang har andre observasjoner gjort med Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) oppdaget denne strålingen.

CMB er ettergløden til det store smellet, hendelsen som satte vårt univers i gang. Det var utrolig varmt og energisk. Da det nyfødte kosmos ekspanderte, falt tettheten til varmen. I utgangspunktet avkjølte det seg, og den lille varmen det ble spredt over et større og større område. I dag er universet 93 milliarder lysår bredt, og CMB representerer en temperatur på omtrent 2,7 Kelvin. Astronomer vurderer den diffuse temperaturen som mikrobølgestråling og bruker de mindre svingningene i "temperaturen" i CMB for å lære mer om universets opprinnelse og utvikling.

Mikrobølger sender ut ved frekvenser mellom 0,3 gigahertz (GHz) og 300 GHz. (En gigahertz er lik 1 milliard Hertz. En "Hertz" brukes for å beskrive hvor mange sykluser per sekund noe avgir ved, med en Hertz som er en syklus per sekund.) Dette frekvensområdet tilsvarer bølgelengder mellom en millimeter (en tusendels meter) og en måler. Som referanse avgir TV- og radioutslipp i en lavere del av spekteret, mellom 50 og 1000 MHz (megahertz).

Mikrobølgestråling blir ofte beskrevet som et uavhengig strålebånd, men regnes også som en del av vitenskapen om radioastronomi. Astronomer refererer ofte til stråling med bølgelengder i langt infrarød, mikrobølgeovn og UHF-radiobånd som en del av "mikrobølgeovn" -stråling, selv om de teknisk sett er tre separate energibånd.