Ilustracja artysty budowanej obecnie dużej matrycy milimetrowej Atacama. Źródło zdjęcia: ESO. Kliknij, aby powiększyć.
Posłuchaj wywiadu: Przygotuj się na głęboki wpływ (4,8 MB)
Lub subskrybuj podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain: Czy możesz mi podać nieco tła dla spektrum submilimetrowego? Gdzie to pasuje?
Paul Ho: Formalnie submilimetr ma długość fali 1 milimetra i krótszą. Tak więc częstotliwość fali 1 milimetr odpowiada około 300 gigaherców lub 3 × 10 ^ 14 herców. Jest to więc bardzo krótka długość fali. Od tego do długości fali około 300 mikronów, czyli jednej trzeciej milimetra, nazywamy zakres submilimetrowy. Jest to coś, co nazywamy końcem okna atmosferycznego, jeśli chodzi o radio, ponieważ krótsze, o około jedną trzecią milimetra, niebo staje się zasadniczo nieprzezroczyste z powodu atmosfery.
Fraser: Są to więc fale radiowe, takie jak tego, których słuchasz w radiu, ale o wiele krótsze - nic, czego nigdy nie mógłbym odebrać w moim radiu FM. Dlaczego są dobre do oglądania Wszechświata, w którym jest zimno?
Ho: Każdy obiekt, który znamy lub widzimy, zwykle promieniuje rozpływ energii charakteryzujący materiały, o których mówimy, dlatego nazywamy to spektrum. A to spektrum energetyczne ma zazwyczaj szczytową długość fali - lub długość fali, przy której promieniuje większość energii. Ta charakterystyczna długość fali zależy od temperatury obiektu. Im cieplejszy obiekt, tym krótsza jest długość fali, a im chłodniejszy obiekt, tym dłuższa jest długość fali. W przypadku Słońca, które ma temperaturę 7000 stopni, miałbyś szczytową długość fali wychodzącą w optyce, dlatego oczywiście nasze oczy są dostrojone do optycznej, ponieważ żyjemy w pobliżu Słońca. Ale gdy materiał stygnie, długość fali tego promieniowania staje się coraz dłuższa, a kiedy dojdziemy do charakterystycznej temperatury, powiedzmy 100 stopni powyżej zera absolutnego, ta szczytowa długość fali pojawia się nieco w dalekiej podczerwieni lub submilimetrach. Tak więc długość fali rzędu 100 mikronów lub nieco dłużej niż to, co stawia ją w zakresie submilimetrowym.
Fraser: A gdybym był w stanie wymienić oczy i zastąpić je zestawem submilimetrowych oczu, co mógłbym zobaczyć, gdybym spojrzał w niebo?
Ho: Oczywiście niebo nadal byłoby całkiem fajne, ale zacząłbyś zbierać wiele rzeczy, które są dość zimne, których nie zobaczyłbyś w świecie optycznym. Rzeczy takie jak materiały wirujące wokół gwiazdy, które są fajne, rzędu 100 kelwinów; kieszenie gazu molekularnego, w którym tworzą się gwiazdy - byłyby zimniejsze niż 100 K. Lub w bardzo odległym, wczesnym Wszechświecie, kiedy galaktyki są po raz pierwszy złożone, materiał ten jest również bardzo zimny, czego nie można zobaczyć w świecie optycznym , które możesz zobaczyć w submilimetrie.
Fraser: Z jakich instrumentów korzystasz tutaj albo w kosmosie?
Ho: Istnieją instrumenty naziemne i kosmiczne. 20 lat temu ludzie zaczęli pracować w submilimetrie, a na tej długości fali zaczęło działać kilka teleskopów. Na Hawajach, na Mauna Kea, są dwa: jeden o nazwie James Clerk Maxwell Telescope, który ma średnicę około 15 metrów, a także Obserwatorium Submimetru Caltech, które ma średnicę około 10 metrów. Zbudowaliśmy interferometr, który jest serią teleskopów, które są skoordynowane tak, aby działały jako pojedynczy instrument na szczycie Mauna Kea. Tak więc 8 teleskopów klasy 6-metrowej, które są ze sobą połączone i można je rozsuwać lub przybliżać do maksymalnej linii bazowej lub separacji wynoszącej pół kilometra. Tak więc ten instrument symuluje bardzo duży teleskop o maksymalnym rozmiarze pół kilometra, a zatem osiąga bardzo wysoki kąt rozdzielczości w porównaniu do istniejących teleskopów jednoelementowych.
Fraser: Łatwiej jest łączyć światło z radioteleskopów, więc myślę, że właśnie dlatego jesteś w stanie to zrobić?
Ho: No cóż, technika interferometru jest używana w radiu już od dłuższego czasu, więc tę technikę udoskonaliliśmy dość dobrze. Oczywiście w podczerwieni i optyce ludzie również zaczynają pracować w ten sposób, pracując na interferometrach. Zasadniczo, łącząc promieniowanie, musisz śledzić nadchodzący fazowy przód promieniowania. Zwykle wyjaśniam to tak, jakbyś miał bardzo duże lustro i rozbiłem je, więc po prostu zarezerwuj kilka kawałków lustra, a potem chcesz zrekonstruować informacje z tych kilku elementów lustra, jest kilka rzeczy, które musisz zrobić. Po pierwsze, musisz mieć możliwość wyrównania elementów lustra względem siebie, tak jak wtedy, gdy było to jedno całe lustro. Po drugie, aby móc naprawić wadę, biorąc pod uwagę fakt, że brakuje wielu informacji przy tak wielu fragmentach lustra, których nie ma, a próbkujesz tylko kilka sztuk. Ale ta szczególna technika zwana syntezą apertury, która polega na stworzeniu bardzo dużego teleskopu apertury przy użyciu małych kawałków, jest oczywiście produktem nagrodzonej nagrodą Nobla pracy Ryle'a i Hewisha kilka lat temu.
Fraser: Jakie instrumenty zostaną opracowane w przyszłości, aby wykorzystać tę długość fali?
Ho: Po zbudowaniu naszych teleskopów i rozpoczęciu pracy w Chile powstanie jeszcze większy instrument o nazwie Atacama Large Millimeter Array (ALMA), który będzie się składał z wielu innych teleskopów i większych apertur, które będą znacznie bardziej czuły niż nasz pionierski instrument. Mamy nadzieję, że nasz instrument zacznie odkrywać znaki i naturę świata w submilimetrowej długości fali, zanim pojawią się większe instrumenty, aby móc podążać i wykonywać bardziej wrażliwą pracę.
Fraser: Jak daleko będą mogły spojrzeć te nowe instrumenty? Co mogliby zobaczyć?
Ho: Jednym z celów naszej dyscypliny astronomii submilimetrowej jest spojrzenie w przeszłość na najwcześniejszą część Wszechświata. Jak wspomniałem wcześniej, na wczesnym etapie Wszechświata, gdy formował się on w galaktykach, są one znacznie zimniejsze we wczesnych fazach, kiedy galaktyki były budowane, i promieniuje ono, naszym zdaniem, zasadniczo w submilimetrie. I możesz je zobaczyć na przykład za pomocą teleskopu JCM na Mauna Kea. Możesz zobaczyć niektóre z wczesnych Wszechświatów, które są bardzo mocno przesuniętymi ku czerwieni galaktykami; nie są one widoczne w optyce, ale są widoczne w submilimetrie, a ten układ będzie w stanie je zobrazować i bardzo aktywnie zlokalizować, gdzie znajdują się na niebie, abyśmy mogli je dalej badać. Te bardzo wczesne galaktyki, te wczesne formacje, naszym zdaniem, mają bardzo duże przesunięcia ku czerwieni - dajemy tę liczbę Z, która jest przesunięciem ku czerwieni o wartości 6, 7, 8 - bardzo wcześnie w formowaniu się Wszechświata, więc patrząc wstecz może na 10% czasu, kiedy Wszechświat był budowany.
Fraser: Moje ostatnie pytanie dla ciebie… Deep Impact pojawi się za kilka tygodni. Czy twoje obserwatoria też to oglądają?
Ho: O tak, oczywiście. Interesuje nas głęboki wpływ. W naszym instrumencie badaliśmy ciała typu Układu Słonecznego, i obejmuje to nie tylko planety, ale także komety, gdy się zbliżają lub uderzają, oczekujemy, że zobaczymy materiał wypluć, co powinniśmy być w stanie śledzić w submilimetrie, ponieważ będziemy patrzeć nie tylko na emisję pyłu, ale będziemy mogli obserwować linie widmowe wychodzących gazów. Oczekujemy więc, że będziemy mogli zwrócić naszą uwagę na to wydarzenie, a także je zobrazować.
Paul Ho jest astronomem w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, Massachusetts.
