Περισσότερα από όσα βλέπει το μάτι: το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Μαθαίνουμε για τον κόσμο γύρω μας μέσω των αισθήσεών μας. Τα μάτια μας παίζουν έναν σημαντικό ρόλο, γιατί το φως μεταφέρει ένα μεγάλο μέρος των πληροφοριών που αφορά την πηγή του και τα αντικείμενα που η το αντανακλούν η το απορροφούν. Όπως τα περισσότερα ζώα, έτσι και οι άνθρωποι έχουν ένα οπτικό σύστημα που συλλέγει φωτεινά σήματα και τα μεταβιβάζει στον εγκέφαλο. Τα μάτια μας, ωστόσο, είναι ευαίσθητα σε ένα μικρό τμήμα του φάσματος του φωτός – είμαστε τυφλοί σε οτιδήποτε άλλο εκτός από αυτό που ονομάζουμε ‘ορατό’ φως.

Η μήπως δεν είμαστε; Κατά τη διάρκεια του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν και οπτικοποίησαν μερικά διαφορετικά είδη από το προηγουμένως αόρατο φως: υπεριώδη και υπέρυθρη ακτινοβολία, ακτίνες-Χ και ακτίνες-γ, ραδιοκύματα και μικροκύματα. Έγινε σύντομα φανερό ότι το ορατό φως και αυτές οι μορφές φωτός που είχαν πρόσφατα ανακαλυφθεί ήταν όλες εκδηλώσεις του ίδιου πράγματος: της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (δείτε το Σχήμα 1).

Τα διάφορα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ξεχωρίζουν από την ενέργειά τους: οι ακτίνες-γ είναι οι πιο ενεργητικές, και ακολουθούν οι ακτίνες-Χ, οι υπεριώδεις, το ορατό και το υπέρυθρο φως. Τα είδη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκη κύματος μεγαλύτερα από το υπέρυθρο φως κατατάσσονται στα ραδιοκύματα. Αυτά υποδιαιρούνται στα (υπο)χιλιοστόμετρα κύματα, στα μικροκύματα και σε μεγαλύτερου μήκους ραδιοκύματα. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται ως κύματα που ταξιδεύουν ακόμη και στο κενό. Η ενέργεια (E) του κύματος σχετίζεται με την συχνότητα του (f): E = hf, όπου h είναι η σταθερά του Planck που παίρνει το όνομά της από τον Γερμανό φυσικό Max Planck. Η σχέση ανάμεσα στην συχνότητα και το μήκος κύματος (λ) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας δίνεται από fλ = c, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Αυτές οι δύο σχέσεις επιτρέπουν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία να περιγράφεται με όρους όχι μόνο της ενέργειας αλλά επίσης και της συχνότητας και του μήκους κύματος.

Η ακτινοβολία στις διάφορες ενέργειες (η οι συχνότητες, η τα μήκη κύματος) παράγεται από διαφορετικές φυσικές διεργασίες και μπορεί να ανιχνευτεί με διαφορετικούς τρόπους – και γι’ αυτό, για παράδειγμα, το υπεριώδες φως και τα ραδιοκύματα έχουν διαφορετικές εφαρμογές στην καθημερινή ζωή.

Προς το τέλος του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν πως αυτή η ακτινοβολία από τον κόσμο θα μπορούσε να συλληφθεί για να ‘δει’ αστρονομικά αντικείμενα, όπως αστέρες και γαλαξίες, σε μήκη κύματος πέρα από την κλίμακα του οπτικού πεδίου. Πρώτα όμως έπρεπε να ξεπεράσουν το φράγμα της ατμόσφαιρας της Γης.

Η ατμόσφαιρα είναι φυσικά διαπερατή στο ορατό φως – αυτός είναι και ο λόγος που πολλά ζώα έχουν αναπτύξει μάτια που είναι ευαίσθητα σε αυτό το τμήμα του φάσματος.

Ωστόσο, πολύ λίγο από το υπόλοιπο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μπορεί να διαπεράσει τα παχιά στρώματα της ατμόσφαιρας μας (Σχήμα 2).

• Οι πολύ ενεργητικές ακτίνες-γ και ακτίνες-Χ, με μήκη κύματος τόσο μικρά όσο τα άτομα η και μικρότερα, απορροφώνται από το οξυγόνο και το άζωτο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Αυτό προστατεύει την ζωή στην Γη από την θανατηφόρα ακτινοβολία αλλά δυσκολεύει τους αστρονόμους να ανιχνεύσουν την ακτινοβολία.

• Η περισσότερη αλλά όχι όλη υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από το οξυγόνο και το όζον στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και στην στρατόσφαιρα. Για να εκμεταλλευτούν όποιο ποσό υπεριώδους ακτινοβολίας φτάνει στην Γη, μερικά ζώα έχουν αναπτύξει μάτια που μπορούν να την ανιχνεύσουν^w1.
• Τα μικρότερα μήκη κύματος της υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορούν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα, αλλά καθώς το μήκος κύματός της πλησιάζει το ένα μικρομέτρο, η υπέρυθρη ακτινοβολία τείνει να απορροφάται από τους υδρατμούς και άλλα μόρια στην ατμόσφαιρα.
• Το ίδιο συμβαίνει στην ακτινοβολία (υπο)χιλιοστόμετρων – ραδιοκύματα με μήκη κύματος από μερικές εκατοντάδες μικρομέτρα ως περίπου 1 χιλιοστό – και στα μικροκύματα. Μπορούν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας επίγειες εγκαταστάσεις που βρίσκονται σε περιοχές με μεγάλο υψόμετρο με ένα ιδιαίτερα ξηρό κλίμα (όπως περιγράφεται από τους Mignone & Pierce-Price, 2010), η με πειράματα με μπαλόνι/αερόστατο και επίσης διαστημικά πειράματα.
• Η ατμόσφαιρα είναι διαπερατή από τα μεσαίου μήκους κύματος ραδιοκύματα, που εύκολα μπορούν να παρατηρηθούν από το έδαφος, αλλά μπλοκάρει τα ραδιοκύματα με μήκη κύματος μεγαλύτερα από δέκα μέτρα.

Περισσότερα για τον ESA

Ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός (European Space Agency (ESA)^w2) είναι η Ευρωπαϊκή πύλη στο διάστημα, που οργανώνει προγράμματα για να μάθουμε περισσότερα για την Γη, το άμεσο διαστημικό περιβάλλον της, το Ηλιακό μας Σύστημα και το Σύμπαν, και επίσης συνεργάζεται στην ανθρώπινη εξερεύνηση του διαστήματος, στην ανάπτυξη τεχνολογιών και υπηρεσιών βασισμένων στους δορυφόρους, και στην προώθηση των Ευρωπαϊκών βιομηχανιών.

Η Διεύθυνση της Εξερεύνησης της Επιστήμης και Ρομποτικής είναι αφοσιωμένη στο διαστημικό πρόγραμμα του ESA και στην ρομποτική εξερεύνηση του Ηλιακού Συστήματος. Στην προσπάθεια να κατανοήσουμε το Σύμπαν, τους αστέρες και πλανήτες και την προέλευση της ίδιας της ζωής, οι διαστημικοί δορυφόροι του ESA κοιτάζουν στα βάθη του κόσμου και βλέπουν τους πιο μακρινούς γαλαξίες, μελετούν τον Ήλιο με πρωτοφανή λεπτομέρεια, και εξερευνούν τους πλανητικούς μας γείτονες.

Ο ESA είναι μέλος του EIROforum^w5, εκδότη του Science in School.

Η μη διαπερατότητα της ατμόσφαιρας δεν είναι η μόνη πρόκληση που ενέχει για τους αστρονόμους˙ η τύρβη της επίσης μειώνει την ποιότητα των αστρονομικών παρατηρήσεων ακόμη και στα μήκη κύματος που φτάνουν στο έδαφος όπως το ορατό φως. Αντιμέτωποι με αυτά τα προβλήματα, στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα , μετά την αρχή της διαστημικής εποχής, οι αστρονόμοι άρχισαν να τοποθετούν τα τηλεσκόπια τους πέρα από την ατμόσφαιρα, στο διάστημα. Αυτό ξεκίνησε μια επανάσταση στην αστρονομία συγκρίσιμη με την εφεύρεση του πρώτου τηλεσκοπίου πριν από περίπου 400 χρόνια.

Επειδή οι διαφορετικές φυσικές διεργασίες εκπέμπουν ακτινοβολία σε διαφορετικά μήκη κύματος, οι κοσμικές πηγές ακτινοβολούν σε ένα η περισσότερα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Εκμεταλλευόμενοι επομένως και τα επίγεια και τα διαστημικά τηλεσκόπια, οι αστρονόμοι σήμερα μπορούν να συνδυάσουν παρατηρήσεις σε όλο το μήκος του φάσματος, και αυτό έχει παράγει μια εξαιρετικά σαγηνευτική εικόνα του Σύμπαντος που παρέμενε μέχρι τώρα κρυφή (Σχήμα 3 και Σχήμα 4). Παρατηρήσεις στη υπέρυθρη περιοχή, για παράδειγμα, δείχνουν το κατά τα άλλα αόρατο μείγμα σκόνης και αερίου που γεμίζει τον διαστρικό χώρο και από το οποίο γεννιούνται νέα άστρα. Ανιχνεύοντας ακτίνες-γ και ακτίνες-Χ, οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν τα πιο ισχυρά φαινόμενα στο Σύμπαν, όπως τις μαύρες τρύπες να καταβροχθίζουν την ύλη και τις εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων.

Κοιτώντας στα ουράνια: επίγεια αστρονομία

Τα επίγεια τηλεσκόπια του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (European Southern Observatory (ESO)^w4). είναι συμπληρωματικά στα διαστημικά τηλεσκόπια του ESA. Για να ελαχιστοποιήσει την παραμόρφωση των αποτελεσμάτων από την ατμόσφαιρα της Γης, το ESO λειτουργεί τηλεσκόπια σε περιοχές στην βόρεια Χιλή, που είναι ανάμεσα στις καλύτερες τοποθεσίες στο νότιο ημισφαίριο για αστρονομικές παρατηρήσεις εξαιτίας του μεγάλου υψόμετρου τους και της ξηρής ατμόσφαιρας.

Όπως και ο ESA, το ESO κάνει παρατηρήσεις σε διάφορα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope, VLT) του ESO είναι το πιο προηγμένο οπτικό και υπέρυθρο τηλεσκόπιο στον κόσμο, αποτελούμενο από τέσσερα τηλεσκόπια με διάμετρο 8.2 μέτρα και τέσσερα μικρότερα τηλεσκόπια, που μπορούν να δουλέψουν μαζί σαν ένα συμβολόμετρο για να κάνουν παρατηρήσεις με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Ακόμη υπό κατασκευή στην έρημο Atacama είναι το ALMA, το μεγαλύτερο επίγειο πρόγραμμα που υπάρχει. Το αποτέλεσμα μιας συνεργασίας ανάμεσα στον ESO και διεθνείς συνεργάτες, το ALMA θα ανιχνεύει ακτινοβολία στα χιλιοστόμετρα και (υπο)χιλιοστόμετρα, επιτρέποντας στους αστρονόμους να παρατηρούν μερικά από τα πιο ψυχρά και πιο μακρινά αντικείμενα στο Σύμπαν με πολύ μεγαλύτερη ανάλυση και ευαισθησία από ότι ήταν δυνατόν μέχρι τώρα (Mignone & Pierce-Price, 2010).

Το ESO είναι μέλος του EIROforum^w5, εκδότη του Science in School.

Η επιμελής έρευνα του κόσμου κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι ένας από τους επιστημονικούς στόχους του Ευρωπαϊκού Διαστημικού Οργανισμού (ESA; δείτε το κουτί)^w2, που αυτή την στιγμή έχει πέντε αποστολές εν ενεργεία οι οποίες είναι αφοσιωμένες στην αστρονομία (δείτε το Σχήμα 5). Κατά σειρά με βάση την αυξανόμενη ενέργεια, αυτές είναι οι Planck ((υπο)χιλιοστόμετρα και μικροκύματα), Herschel (υπέρυθρο), Hubble Space Telescope (οπτικό, όπως επίσης και μερικά υπέρυθρα και υπεριώδη μήκη κύματος), XMM-Newton (ακτίνες-Χ), και INTEGRAL (ακτίνες-γ και ακτίνες-Χ))^w3.

Στο μέλλον τα άρθρα του Science in School, θα εξερευνήσουν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια με την βοήθεια του στόλου των περασμένων και τωρινών διαστημικών τηλεσκοπίων του ESA, που έχουν συμβάλλει στην αναμόρφωση και κατανόηση του Σύμπαντος.