Astronomia in gama undelor milimetrice

La lungimi de unda milimetrice, radiatia non-termica (care poate fi studiata la lungimi de unda mai lungi) devine slaba, iar semnalele cosmice sunt dominate de radiatia termica din materialul rece. Acest lucru este doar “extensia lungimii de unda lunga” a radiatiei termice produsa de orice corp fierbinte. In principiu, acesta este emis pe intregul spectru electromagnetic, de la lungimi de unda radio pana la raze gamma. De exemplu, radiatia termica a unui corp la temperatura camerei atinge varful in regiunea infrarosie si este relativ slaba in benzile radio. Radiatia termica de la norii interstelari reci are un maxim in banda submilimetrica, iar radiatia de fundal ramasa de la Big Bang are un maxim de 150 GHz in banda de 2 milimetri (la o temperatura echivalenta de 2,7 K). In continuare veti afla mai multe despre ce inseamna astronomia in gama undelor milimetrice.

In regiunile mai reci ale spatiului, materia poate exista in forma moleculara, in cazul in care se afla departe de radiatiile ultraviolete intense ale stelelor fierbinti. Radiatia de la aceste molecule apare la o serie de frecvente discrete sau linii spectrale, care sunt diferite pentru fiecare tip de molecula. Intensitatile relative ale liniilor emise de o anumita molecula depind de conditiile fizice, cum ar fi densitatea si temperatura din regiunea emitatoare. Prin urmare, este adesea necesar ca liniile sau tranzitiile unei molecule sa fie observate. Acest lucru este adevarat si in cazul in care cineva doreste sa identifice in mod clar o molecula, intrucat, in general, frecventa observata depinde de viteza deseori necunoscuta a obiectului studiat. Orice tranzitie poate fi acoperita de emisii provenite de la alta molecula. Insa, prin studierea frecventei liniilor spectrale emise oamenii de stiinta pot deduce care molecule sunt prezente. Deci, spectroscopia este unul din instrumentele principale ale astronomiei in gama undelor milimetrice.

Cu toate acestea, unele dintre moleculele mai grele se condenseaza pentru a forma particule de praf, care radiaza un continuum de frecvente. Studiul acestui continuum este cel de-al doilea instrument aflat la dispozitia astronomiei in gama undelor milimetrice. Deducerea compozitiei particulelor de praf este mult mai dificila, deoarece exista putine linii caracteristice care pot fi utilizate pentru identificarea moleculelor sale componente. Astfel, natura ii indeamna pe astronomi sa faca atat linii spectrale, cat si observatii ale continuum-ului. Aceste observatii ale liniilor spectrale servesc, in special, unei noi ramuri a astronomiei – astrochimia.

Benzile milimetrice si submilimetrice

Benzile milimetrice si submilimetrice sunt unice in astronomie, deoarece ofera o fereastra prin care putem “vedea” si studia aceste componente ale universului care, in caz contrar, sunt invizibile. Motivele pentru care aceste componente sunt invizibile sunt:
• acestea sunt singurele benzi care contin peste 1000 de linii spectrale radio de molecule interstelare si circumstelare;
• sunt singurele benzi in care se pot detecta emisii ale prafului rece in spatiu;
• sunt singurele benzi in care putem detecta emisii ale prafului si moleculelor din galaxiile tinere, la deplasarea spre rosu in universul timpuriu;
• de asemenea, sunt singurele benzi in care putem detecta coconii cu temperatura scazuta ai protostelelor, prin emisiile din praful si moleculele acestora;
• acestea sunt probabil singurele benzi din care putem extrage informatii cinematice despre discurile protoplanetare din jurul stelelor tinere.

Molecule detectate in spatiu

Densitatea foarte mare a liniilor spectrale din spectrul milimetric face ca aceasta parte a spectrului sa fie diferita de cea studiata la frecvente mai scazute. Studiile sensibile asupra norilor moleculari au dezvaluit pana la o suta de linii pe GHz. Intr-o cautare recenta (fara succes) a celui mai simplu aminoacid (glicina), a fost examinata pozitia liniei 98, insa densitatea celorlalte linii a impiedicat o identificare clara. La o asemenea sensibilitate, spectrul este umplut in intregime de linii de emisie.

Incepand cu anul 1995, au fost detectate un total de 108 specii moleculare in norii de gaz interstelar si circumstelar. Acestea includ molecule stabile anorganice si organice, ca sarea, monoxidul de carbon si alcoolul etilic, molecule reactive, cum ar fi lanturile ciudate de carbon HC11N, radicali (NH2 si C2H) si mai multi ioni, cum ar fi HCO+ si HCCCNH+. Multe dintre acestea au fost descoperite in spatiu, inainte de a fi gasite in laborator. In mod straniu, moleculele aromatice, care sunt atat de importante pentru viata, nu au fost gasite in spatiu pana acum, insa cautarile continua. Prin urmare, astronomia in gama undelor milimetrice este instrumentul adecvat pentru studierea obiectelor ca planete, comete, nori interstelari, protostele, atmosfere stelare, discuri protoplanetare, quasari, galaxii si nori intergalactici, in care materialul este in mare parte molecular.

Observatoare de lungimi de unda milimetrice

Observatiile in lungimi de unda milimetrice mai scurte sunt dominate din ce in ce mai mult de considerente ale transparentei atmosferei. Chiar moleculele aflate in studiu sunt cele care cauzeaza absorbtia atmosferica. Aceasta este cea mai ridicata la tranzitiile vaporilor de apa la aproximativ 22 GHz si oxigen, la aproximativ 60 GHz, 120 GHz etc. Aceste frecvente sunt imposibil de observat in mod eficient de la sol si impart spectrul milimetric intr-o serie de ferestre. Prin urmare, astronomii vorbesc de ferestre de 3 mm, 2 mm si 1 mm etc., in care observatiile astronomice facute la sol sunt posibile. Observatoarele de lungimi de unda milimetrice sunt situate de obicei la mare inaltime, pentru a reduce pe cat posibil cantitatea de vapori de apa situata deasupra lor.

Emisia radio din regiunile cu temperaturi scazute este slaba in mod natural, iar pentru studierea sa sunt necesari receptori foarte sensibili. Pentru observatiile liniilor spectrale, majoritatea observatoarelor utilizeaza elemente superconductoare de amestecare, ca prima etapa a receptoarelor acestora. Ele functioneaza la temperatura heliului lichid si cuprind un strat subtire de material izolant prins intre doua piese superconductoare. Proprietatile de tunelare a acestora ofera elementul nonlinear necesar pentru amestecarea si traducerea semnalului de frecventa radio la o frecventa intermediara pentru analiza spectrala ulterioara.

Astronomia in gama undelor milimetrice este acum unul din cele mai dinamice domenii ale astronomiei. In Europa, exista telescoape cu o singura antena in Finlanda, Suedia, Turcia, Rusia, Franta, Spania cu statii importante in Hawaii si Chile. La scara mondiala, exista planuri de investitii in noi instalatii milimetrice, in valoare de cateva miliarde de dolari. Acestea includ o antena cu diametrul de 50 de metri in Mexic si cateva interferometre mari. Statele Unite ale Americii au in plan o gama de telescoape cu diametrul de 40×8 metri, Japonia vizeaza o gama de telescoape cu diametrul de 50×10 metri, iar tarile europene au in plan o gama de telescoape cu diametrul de 50×15 metri.