Magnetronastronomie gebruiken om de kosmos te verkennen

Niet veel mensen denken aan kosmische magnetrons terwijl ze hun eten elke dag voor de lunch gebruiken. Hetzelfde type straling dat een magnetron gebruikt om een ​​burrito te laten zappen, helpt astronomen het universum te verkennen. Het is waar: microgolfemissies uit de ruimte helpen om een ​​kijkje te geven in de kinderschoenen van de kosmos.

Een fascinerende set objecten zendt microgolven uit in de ruimte. De dichtstbijzijnde bron van buitenaardse magnetrons is onze zon. De specifieke golflengten van microgolven die het uitzendt, worden geabsorbeerd door onze atmosfeer. Waterdamp in onze atmosfeer kan de detectie van microgolfstraling vanuit de ruimte verstoren, absorberen en voorkomen dat het het aardoppervlak bereikt. Dat leerde astronomen die microgolfstraling in de kosmos bestuderen, om hun detectoren op grote hoogten op aarde of in de ruimte te plaatsen.

Aan de andere kant kunnen microgolfsignalen die wolken en rook kunnen binnendringen onderzoekers helpen de omstandigheden op aarde te bestuderen en de satellietcommunicatie te verbeteren. Het blijkt dat microgolfwetenschap op veel manieren nuttig is.

Microgolfsignalen hebben een zeer lange golflengte. Het detecteren ervan vereist zeer grote telescopen, omdat de afmeting van de detector vele malen groter moet zijn dan de stralingsgolflengte zelf. De bekendste observatoria voor microgolfastronomie bevinden zich in de ruimte en hebben details onthuld over objecten en gebeurtenissen tot aan het begin van het universum.

Het eigen centrum melkwegstelsel is een microgolfbron, hoewel het niet zo uitgebreid is als in andere, meer actieve sterrenstelsels. Ons zwarte gat (Boogschutter A * genoemd) is vrij rustig, zoals deze dingen gaan. Het lijkt geen enorme straal te hebben en voedt zich slechts af en toe met sterren en ander materiaal dat te dichtbij komt.

Pulsars (roterende neutronensterren) zijn zeer sterke bronnen van microgolfstraling. Deze krachtige, compacte objecten staan ​​qua dichtheid op de tweede plaats na zwarte gaten. Neutronensterren hebben krachtige magnetische velden en hoge rotatiesnelheden. Ze produceren een breed spectrum aan straling, waarbij de microgolfemissie bijzonder sterk is. De meeste pulsars worden gewoonlijk 'radiopulsars' genoemd vanwege hun sterke radio-emissies, maar ze kunnen ook 'microgolfhelder' zijn.

Veel fascinerende bronnen van magnetrons liggen ver buiten ons zonnestelsel en ons sterrenstelsel. Bijvoorbeeld actieve sterrenstelsels (AGN), aangedreven door superzware zwarte gaten zenden bij hun kernen sterke microgolven uit. Bovendien kunnen deze motoren met zwarte gaten enorme plasma-stralen creëren die ook helder gloeien bij microgolfgolflengten. Sommige van deze plasmastructuren kunnen groter zijn dan het hele sterrenstelsel dat het zwarte gat bevat.

In 1964, Princeton University wetenschappers David Todd Wilkinson, Robert H. Dicke en Peter Roll besloten een detector te bouwen om op kosmische magnetrons te jagen. Ze waren niet de enige. Twee wetenschappers van Bell Labs - Arno Penzias en Robert Wilson - bouwden ook een "hoorn" om microgolven te zoeken. Dergelijke straling was in het begin van de 20e eeuw voorspeld, maar niemand had er iets aan gedaan om het uit te zoeken. De metingen van de wetenschappers uit 1964 toonden een vage "wassing" van microgolfstraling over de hele hemel. Het blijkt nu dat de zwakke microgolfgloed een kosmisch signaal is uit het vroege heelal. Penzias en Wilson wonnen vervolgens een Nobelprijs voor de metingen en analyses die ze deden die leidden tot de bevestiging van de kosmische microgolfachtergrond (CMB).

Uiteindelijk kregen astronomen het geld om ruimtegebaseerde microgolfdetectors te bouwen, die betere gegevens kunnen leveren. Zo heeft de Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) satelliet vanaf 1989 een gedetailleerde studie van deze CMB gemaakt. Sindsdien hebben andere waarnemingen met de Wilkinson Microgolfanisotropiesonde (WMAP) deze straling gedetecteerd.

De CMB is de nagloed van de oerknal, de gebeurtenis die ons universum in beweging heeft gebracht. Het was ongelooflijk heet en energiek. Naarmate de pasgeboren kosmos groter werd, nam de dichtheid van de warmte af. Kortom, het koelde af en wat voor weinig warmte er werd verspreid over een steeds groter gebied. Tegenwoordig is het universum 93 miljard lichtjaar breed en vertegenwoordigt de CMB een temperatuur van ongeveer 2,7 Kelvin. Astronomen beschouwen die diffuse temperatuur als microgolfstraling en gebruiken de kleine fluctuaties in de "temperatuur" van de CMB om meer te leren over de oorsprong en evolutie van het universum.

Microgolven zenden uit bij frequenties tussen 0,3 gigahertz (GHz) en 300 GHz. (Eén gigahertz is gelijk aan 1 miljard Hertz. Een "Hertz" wordt gebruikt om te beschrijven hoeveel cycli per seconde iets uitstraalt, waarbij één Hertz één cyclus per is tweede.) Dit frequentiebereik komt overeen met golflengten tussen een millimeter (een duizendste van een meter) en een meter. Ter referentie: tv- en radio-emissies zenden uit in een lager deel van het spectrum, tussen 50 en 1000 Mhz (megahertz).

Magnetronstraling wordt vaak beschreven als een onafhankelijke stralingsband, maar wordt ook beschouwd als onderdeel van de wetenschap van radioastronomie. Astronomen verwijzen vaak naar straling met golflengten in de ver-infrarood, microgolf en ultra-hoge frequentie (UHF) radiobanden als onderdeel van "microgolf" straling, ook al zijn het technisch gezien drie afzonderlijke energiebanden.