Wissenschaft

Verwendung der Mikrowellenastronomie zur Erforschung des Kosmos

Nicht viele Menschen denken an kosmische Mikrowellen, wenn sie jeden Tag ihr Essen zum Mittagessen zerstören. Die gleiche Art von Strahlung, die ein Mikrowellenherd verwendet, um einen Burrito zu zappen, hilft Astronomen, das Universum zu erkunden. Es ist wahr: Mikrowellenemissionen aus dem Weltraum geben einen Einblick in die Kindheit des Kosmos.

 

Jagd auf Mikrowellensignale

Eine faszinierende Reihe von Objekten sendet Mikrowellen im Weltraum aus. Die nächste Quelle für nicht-terrestrische Mikrowellen ist unsere Sonne. Die spezifischen Wellenlängen der Mikrowellen, die es aussendet, werden von unserer Atmosphäre absorbiert. Wasserdampf in unserer Atmosphäre kann die Erfassung von Mikrowellenstrahlung aus dem Weltraum stören, diese absorbieren und verhindern, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Das lehrte Astronomen, die Mikrowellenstrahlung im Kosmos untersuchen, ihre Detektoren in großen Höhen auf der Erde oder im Weltraum zu platzieren.

Andererseits können Mikrowellensignale, die Wolken und Rauch durchdringen können, Forschern helfen, die Bedingungen auf der Erde zu untersuchen und die Satellitenkommunikation zu verbessern. Es stellt sich heraus, dass die Mikrowellenwissenschaft in vielerlei Hinsicht von Vorteil ist.

Mikrowellensignale kommen in sehr langen Wellenlängen. Um sie zu erfassen, sind sehr große Teleskope erforderlich, da die Größe des Detektors um ein Vielfaches größer sein muss als die Strahlungswellenlänge selbst. Die bekanntesten Observatorien für Mikrowellenastronomie befinden sich im Weltraum und haben Details zu Objekten und Ereignissen bis zum Beginn des Universums enthüllt.

 

Kosmische Mikrowellenemitter

Das Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie ist eine Mikrowellenquelle, obwohl es nicht so umfangreich ist wie in anderen, aktiveren Galaxien. Unser Schwarzes Loch (genannt Schütze A *) ist ziemlich ruhig, wie diese Dinge gehen. Es scheint keinen massiven Strahl zu haben und ernährt sich nur gelegentlich von Sternen und anderem Material, das zu nahe kommt.

Pulsare  (rotierende Neutronensterne) sind sehr starke Quellen für Mikrowellenstrahlung. Diese leistungsstarken, kompakten Objekte sind in Bezug auf die Dichte nach Schwarzen Löchern an zweiter Stelle. Neutronensterne haben starke Magnetfelder und schnelle Rotationsraten. Sie erzeugen ein breites Strahlungsspektrum, wobei die Mikrowellenemission besonders stark ist. Die meisten Pulsare werden wegen ihrer starken Funkemissionen normalerweise als „Funkpulsare“ bezeichnet, können aber auch „mikrowellenhell“ sein.

Viele faszinierende Mikrowellenquellen liegen weit außerhalb unseres Sonnensystems und unserer Galaxie. Beispielsweise senden aktive Galaxien (AGN), die von supermassiven Schwarzen Löchern an ihren Kernen angetrieben werden , starke Mikrowellenstrahlen aus. Zusätzlich können diese Schwarzlochmotoren massive Plasmastrahlen erzeugen, die auch bei Mikrowellenwellenlängen hell leuchten. Einige dieser Plasmastrukturen können größer sein als die gesamte Galaxie, die das Schwarze Loch enthält.

 

Die ultimative kosmische Mikrowellengeschichte

1964 beschlossen die Wissenschaftler der Princeton University, David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke und Peter Roll, einen Detektor für die Suche nach kosmischen Mikrowellen zu bauen. Sie waren nicht die einzigen. Zwei Wissenschaftler der Bell Labs – Arno Penzias und Robert Wilson – bauten ebenfalls ein „Horn“, um nach Mikrowellen zu suchen. Eine solche Strahlung war im frühen 20. Jahrhundert vorhergesagt worden, aber niemand hatte etwas unternommen, um sie zu suchen. Die Messungen der Wissenschaftler von 1964 zeigten eine schwache „Wäsche“ der Mikrowellenstrahlung über den gesamten Himmel. Es stellt sich nun heraus, dass das schwache Mikrowellenlicht ein kosmisches Signal aus dem frühen Universum ist. Penzias und Wilson gewannen einen Nobelpreis für ihre Messungen und Analysen, die zur Bestätigung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) führten.

Schließlich erhielten Astronomen die Mittel, um weltraumgestützte Mikrowellendetektoren zu bauen, die bessere Daten liefern können. Beispielsweise hat der Satellit Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) ab 1989 eine detaillierte Untersuchung dieses CMB durchgeführt. Seitdem haben andere Beobachtungen mit der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) diese Strahlung nachgewiesen.

Das CMB ist das Nachleuchten des Urknalls, des Ereignisses, das unser Universum in Bewegung gesetzt hat. Es war unglaublich heiß und voller Energie. Als sich der neugeborene Kosmos ausdehnte, nahm die Dichte der Wärme ab. Im Grunde kühlte es ab und die geringe Hitze wurde auf eine immer größere Fläche verteilt. Heute ist das Universum 93 Milliarden Lichtjahre breit und der CMB repräsentiert eine Temperatur von etwa 2,7 Kelvin. Astronomen betrachten diese diffuse Temperatur als Mikrowellenstrahlung und nutzen die geringfügigen Schwankungen der „Temperatur“ des CMB, um mehr über die Ursprünge und die Entwicklung des Universums zu erfahren.

 

Tech Talk über Mikrowellen im Universum

Mikrowellen senden bei Frequenzen zwischen 0,3 Gigahertz (GHz) und 300 GHz aus. (Ein Gigahertz entspricht 1 Milliarde Hertz. Ein „Hertz“ beschreibt, wie viele Zyklen pro Sekunde etwas emittiert, wobei ein Hertz ein Zyklus pro Sekunde ist.) Dieser Frequenzbereich entspricht Wellenlängen zwischen einem Millimeter (eins) Tausendstel Meter) und ein Meter. Als Referenz emittieren TV- und Radioemissionen in einem unteren Teil des Spektrums zwischen 50 und 1000 MHz (Megahertz).

Mikrowellenstrahlung wird oft als eigenständiges Strahlungsband beschrieben, wird aber auch als Teil der Wissenschaft der Radioastronomie angesehen. Astronomen bezeichnen Strahlung mit Wellenlängen im  Ferninfrarot-. Mikrowellen- und Ultrahochfrequenz-Radioband (UHF) häufig als Teil der „Mikrowellen“ -Strahlung, obwohl es sich technisch gesehen um drei separate Energiebänder handelt.

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