Cum radioastronomia a pus un nou ochi asupra cosmosului

Ne putem imagina doar ce au crezut vecinii lui Grote Reber când, în 1937, pasionatul de radioamatori a ridicat în curtea sa un vas de tablă de aproape 10 metri lățime, așezat pe o schelă reglabilă și în vârf de o piramidă deschisă de turnuri grăbite. Puțin vecinii săi ar fi putut ști că sunt martorii nașterii unui nou mod de a privi cosmosul.

Reber construia primul radiotelescop dedicat din lume. Spre deosebire de telescoapele tradiționale, care folosesc lentile sau oglinzi pentru a focaliza lumina vizibilă, acest instrument folosea metal și circuite pentru a colecta unde radio interstelare, ondulații de joasă frecvență ale radiațiilor electromagnetice. Cu dispozitivul său de casă, Reber a realizat prima hartă a cerului văzută cu ochi sensibili la radio și a dat startul domeniului radioastronomiei.

„Radioastronomia este la fel de fundamentală pentru înțelegerea noastră a universului ca… astronomia optică”, spune Karen O’Neil, director de site la Observatorul Green Bank din Virginia de Vest. „Dacă vrem să înțelegem universul, trebuie să ne asigurăm că avem cât mai multe tipuri diferite de ochi asupra universului posibil.”

Când astronomii vorbesc despre undele radio din spațiu, ei nu se referă (în mod necesar) la emisiunile extraterestre. Mai des, ei sunt interesați de lumina cu energie scăzută care poate apărea atunci când moleculele își schimbă rotația, de exemplu, sau când electronii se rotesc într-un câmp magnetic. Acordarea pentru prima dată la undele radio interstelare a fost asemănătoare cu Galileo care a îndreptat o lunetă modificată către stele cu secole mai devreme – am putut vedea lucruri pe cer pe care nu le-am mai văzut până acum.

Astăzi, radioastronomia este o întreprindere globală. Peste 100 de radiotelescoape – de la antene cu păianjen așezate la pământ până la versiuni super-dimensionate ale antenei lui Reber care se întind pe sute de metri – punctează globul. Acești ochi pe cer au schimbat atât de mult jocul încât au fost în centrul a nu mai puțin de trei premii Nobel.

Nu e rău pentru un domeniu care a început din întâmplare.

La începutul anilor 1930, un inginer de la Bell Telephone Laboratories, pe nume Karl Jansky, urmărea surse de unde radio care interferau cu comunicarea fără fir. A dat peste un șuierat care venea de undeva în constelația Săgetător, în direcția centrului galaxiei.

imagine alb-negru a lui Karl Jansky lucrând la antena sa radio rotativă
Karl Jansky, prezentat aici cu antena sa radio rotativă, s-a împiedicat de un șuierat radio care venea din direcția centrului galaxiei, marcând începuturile radioastronomiei.NRAO, AUI, NSF, Jeff Hellerman

„Descoperirea de bază că a existat radiații radio provenind din spațiul interstelar a confundat teoria”, spune astronomul Jay Lockman, de asemenea de la Green Bank. „Nu exista nicio modalitate cunoscută de a obține asta.”

Bell Labs l-a mutat pe Jansky la alte activități, mai pământești. Dar Reber, un fan al radioului, a citit despre descoperirea lui Jansky și a vrut să afle mai multe. Nimeni nu a mai construit vreodată un radiotelescop, așa că Reber și-a dat seama singur, bazându-și designul pe principiile folosite pentru a focaliza lumina vizibilă în lunete optice. El a îmbunătățit antena lui Jansky – o grămadă de tuburi metalice susținute de un suport pivotant de lemn – și a creat o antenă metalică parabolică pentru a focaliza undele radio de intrare până la un punct în care un amplificator amplifica semnalul slab. Întreaga mașină stătea deasupra unei baze de lemn basculante care îi permitea să scaneze cerul balansând telescopul în sus și în jos. Același design de bază este folosit astăzi pentru radiotelescoapele din întreaga lume.

Timp de aproape un deceniu – datorită parțial Marii Depresiuni și celui de-al Doilea Război Mondial – Reber a fost în mare parte singur. Domeniul nu a înflorit decât după război, cu o mulțime de oameni de știință plini de noi experiențe radio din proiectarea sistemelor radar. Surprizele vin de atunci.

imagine alb-negru a primului radiotelescop
Grote Reber a ridicat primul radiotelescop dedicat din lume – prezentat aici – în curtea sa din Wheaton, Ill.GBO, NSF, AUI

„Descoperirea moleculelor interstelare este una mare”, spune Lisa Young, astronom la New Mexico Tech din Socorro. Radiotelescoapele sunt potrivite pentru a observa norii densi și reci, unde se află moleculele, și pentru a detecta radiația emisă atunci când își pierd energia de rotație. Astăzi, lista de molecule interstelare identificate include multe substanțe organice complexe, inclusiv unele considerate a fi precursori pentru viață.

Radiotelescoapele au descoperit și obiecte neimaginate anterior. Quasarurile, nucleele strălucitoare ale galaxiilor îndepărtate alimentate de găuri negre uriașe, au apărut pentru prima dată în hărți radio detaliate de la sfârșitul anilor 1950. Pulsarii, nucleele ultradense care se rotesc ale stelelor moarte, s-au făcut cunoscute în 1967, când Jocelyn Bell Burnell a observat că rețeaua de antene radio pe care a ajutat-o ​​să o construiască emite un bip constant… bip… bip din spațiul adânc la fiecare 1,3 secunde. (Ea a fost trecută cu vederea atunci când Premiul Nobel pentru fizică din 1974 a onorat această descoperire – consilierul ei a primit recunoașterea. Dar o distincție a venit în 2018, când i s-a acordat un Premiu Special Revoluționar în fizica fundamentală.)

Pulsarii „nu sunt doar interesanți pentru că sunt o descoperire în sine”, spune Lockman. Ele „sunt folosite acum pentru a face teste de relativitate generală și pentru a detecta undele gravitaționale”. Acest lucru se datorează faptului că orice împinge un pulsar – să zicem, o ondulație trecătoare în spațiu-timp – se modifică atunci când bataile sale ultraprecise radio ajung pe Pământ. La începutul anilor 1990, astfel de variații de sincronizare de la un pulsar au condus la prima descoperire confirmată a planetelor în afara sistemului solar.

Mai recent, scurte explozii de energie radio, în principal din alte galaxii, au captat atenția astronomilor. Descoperite în 2007, cauzele acestor „explozii radio rapide” sunt încă necunoscute. Dar sunt deja probe utile ale lucrurilor dintre galaxii. Lumina de la aceste erupții codifică semnăturile atomilor întâlniți în drum spre Pământ, permițând astronomilor să urmărească o mulțime de materie despre care credeau că ar trebui să fie în cosmos, dar care nu au găsit-o încă. „Acesta a fost lucrul care ne-a permis să cântărim universul și să înțelegem unde este materia lipsă”, spune Dan Werthimer, astronom la Universitatea din California, Berkeley.

Și a fost o antenă radio care, în 1964, a dat cel mai mare impuls teoriei Big Bang de atunci. Arno Penzias și Robert Wilson, ingineri de la Bell Labs, au fost împiedicați de un șuierat persistent în antena de mărimea unei case, ca un corn, pe care o reutilizau pentru radioastronomie. Vinovata a fost radiația care pătrunde în tot spațiul, rămasă în urmă dintr-o perioadă în care universul era mult mai fierbinte și mai dens decât este astăzi. Acest „fond cosmic cu microunde”, numit după frecvențele relativ înalte la care este cel mai puternic, este încă cea mai clară fereastră pe care o au astronomii către universul foarte timpuriu.

Radiotelescoapele au o altă superputere. Mai multe antene radio legate între ele de-a lungul continentelor pot acționa ca un observator enorm, cu capacitatea de a vedea detalii mult mai fine decât oricare dintre aceste antene acționând singur. Construirea unui ochi radio la fel de larg ca planeta – Telescopul Event Horizon – a condus la prima imagine a unei găuri negre.

imaginea unei găuri negre în centrul galaxiei M87
Telescopul Event Horizon, o rețea internațională de observatoare radio, a realizat prima imagine a unei găuri negre, în centrul galaxiei M87.Colaborarea Event Horizon Telescope și colab

„Nu că cineva ar avea nevoie de dovezi ale existenței [of black holes]„, spune Young, „dar este ceva atât de minunat în a putea vedea de fapt.”

Lista descoperirilor continuă: galaxiile din universul timpuriu care sunt complet învăluite în praf și, prin urmare, nu emit lumină stelară, încă strălucesc în imaginile radio. Inelele de gaz și praf care înconjoară stelele tinere oferă detalii despre formarea planetelor. Intel pe asteroizi și planete din sistemul nostru solar poate fi obținut prin ridicarea undelor radio de pe suprafața lor.

Și, desigur, există căutarea inteligenței extraterestre sau SETI. „Radioul este probabil cel mai probabil loc în care vom răspunde la întrebarea: „Suntem singuri?””, spune Werthimer.

disc roșu care formează planete în jurul HL Tauri
Rețeaua de radiotelescoape ALMA din deșertul Atacama din Chile a surprins această imagine a ceea ce pare a fi un disc care formează planete în jurul tinerei stele HL Tauri.ESO, NAOJ, NRAO

Acest sentiment datează de mai bine de un secol. În 1899, inventatorul Nikola Tesla a captat semnale radio despre care credea că provin de la oameni de pe o altă planetă. Și timp de 36 de ore, în august 1924, Statele Unite au ordonat tuturor transmițătoarelor radio să tacă cinci minute în fiecare oră pentru a asculta transmisiile de pe Marte, în timp ce Pământul a întors Planeta Roșie la o distanță relativ apropiată. Câmpul a primit o lansare mai oficială în 1960, când astronomul Frank Drake a îndreptat radiotelescopul original al Green Bank către stelele Tau Ceti și Epsilon Eridani, doar în cazul în care ar fi transmis cineva acolo.

În timp ce SETI a avut suișuri și coborâșuri, „există un fel de renaștere”, spune Werthimer. „Sunt o mulțime de tineri noi, care intră în SETI… și sunt bani noi.” În 2015, antreprenorul Yuri Milner a promis 100 de milioane de dolari timp de 10 ani în căutarea altor rezidenți ai universului nostru.

Deși prăbușirea gigantului Observator Arecibo în 2020 – la 305 de metri diametru, a fost cel mai mare radiotelescop cu o singură antenă pentru cea mai mare parte a vieții sale – a fost tragică și neașteptată, radioastronomii au în lucru noi facilități. Square Kilometer Array, care va conecta micile antene radio și antene din Australia și Africa de Sud când este finalizată la sfârșitul anilor 2020, va sonda accelerarea expansiunii universului, va căuta semne de viață și va explora condițiile din zorii cosmici. „Vom vedea semnăturile primelor structuri din univers formând primele galaxii și stele”, spune Werthimer.

rânduri de radiotelescoape la Square Kilometer Array
Square Kilometer Array va conecta antene radio și antene în Africa de Sud și Australia, oferind o privire fără precedent asupra universului.Observatorul SKA

Dar dacă istoria radioastronomiei este un ghid, cele mai remarcabile descoperiri care vor urma vor fi lucrurile pe care nimeni nu s-a gândit să le caute. Atât de multe despre domeniu sunt marcate de serendipity, notează Werthimer. Chiar și radioastronomia ca domeniu a început întâmplător. „Dacă doar construiești ceva pentru a privi într-un loc pe care nimeni nu l-a mai căutat înainte”, spune el, „vei face descoperiri interesante.”