Ami szemmel csak részben látható: az elektromágneses spektrum

A körülötünk lévő világot az érzékszerveink segítségével ismerjük meg. A látásunknak ebben főszerep jut, ugyanis a fény rengeteg információt hordoz arról a tárgyról, amelyik kibocsátja és arról is, amelyik visszaveri vagy elnyeli. Az állatok nagy részéhez hasonlóan, az ember látása is úgy működik, hogy összegyűjti a fényjeleket, majd továbbítja azokat az agyba. Az elektromágneses sugárzásnak azonban csak nagyon kis tartományát tudjuk érzékelni, ezt nevezzük ‘látható’ fénynek, a többi tartományban vakok vagyunk.

Valóban azok vagyunk? A 19. század folyamán a tudósok felfedezték és láthatóvá tették a spektrum néhány további tartományát: az ultraibolya (UV), az infravörös (IR), a röntgen-, és a gammasugárzást, a rádió és a mikrohullámokat. Hamarosan kiderült, hogy a látható fény és az újonnan felfedezett sugárzások ugyanannak a fizikai jelenségnek a megnyilvánulásai: az elektromágneses (EM) sugárzásnak. (Ld.: 1. ábrát).

A különböző EM sugárzásokat az energiájuk alapján különböztetjük meg: a gammasugárzásnak van a legnagyobb energiája, ezt követi a röntgensugárzás, az UV sugárzás, a látható fény, majd az IR sugárzás. Az IR sugárzásnál nagyobb hullámhosszúságú sugárzást rádióhullámoknak nevezik. A rádióhullámokat tovább osztályozzák, ezek a következők: mm alatti, mikrohullámok és nagyobb hullámhosszúságú rádióhullámok. Az EM sugárzás olyan hullám, amely a légüres térben is terjed. Az energiája (E) a frekvenciájától (f) függ: E = hf, ahol a h a Planck-állandó, amelyet Max Planck, német fizikus tiszteletére neveztek el. A hullámhossz (λ) és a frekvencia közötti összefüggést az fλ = c képlet adja meg, ahol a c a vákuumban mért fénysebesség. Ennek az összefüggésnek alapján az EM sugárzást nemcsak az energiával, hanem a frekvenciával vagy a hullámhosszal is jellemezhetjük.

Az eltérő energiájú (vagy frekvenciájú, vagy hullámhosszúságú) sugárzások különböző fizikai folyamatok során keletkeznek és különböző módon lehet azokat detektálni – ezzel függ össze az is, hogy például az UV sugárzást és a rádióhullámokat a mindennapi élet különböző területein alkalmazzák.

A 19. század vége felé a tudósok rájöttek arra, hogyan lehet felfogni a világűrből érkező sugárzásokat és így ‘látni’ az égi objektumokat, például a csillagokat és a galaxisokat, a látható fény tartományán kívül eső hullámhosszakon is. Először is le kellett küzdeni azt az akadályt, amelyet a Föld atmoszférája jelent.

A légkör természetesen átlátszó a látható fény tartományban – ezért fejlődött ki a legtöbb állatnak olyan látószerve, amely a spektrumnak ezt a tartományát képes érzékelni.

Azonban az EM spektrumnak csak nagyon kis része tud áthatolni a vastag földi légkörön (2. ábra).

• A nagy energiájú gamma- és röntgensugárzást, amelyeknek a hullámhossza ugyanakkora vagy kisebb, mint az atomok átmérője, a légkör felső rétegeiben lévő oxigén és nitrogén-atomok elnyelik. Ez védi meg a földi életet a halálos sugárzásoktól, azonban a csillagászok számára nehézzé teszi az észlelést.

• A légkör felső rétegeiben és a sztratoszférában lévő oxigén és ózon az UV sugárzás nagy részét elnyeli. Mivel az UV sugárzás egy kis része eléri a földfelszínt, egyes állatok szeme úgy fejlődött ki, hogy képessé vált arra, hogy érzékelje^w1 azt.
• A rövidebb hullámhosszú IR sugárzás át tud hatolni a légkörön, azonban ha a hullámhossza eléri az egy mikrométert, az IR sugárzást a vízgőz és a légkörben található egyéb molekulák elnyelik.
• Ugyanez történik azokkal a rádióhullámokkal is, amelyek hullámhossza néhány száz mikrométer és egy milliméter között van és a mikrohullámokkal. Ezeket magas és száraz éghajlatú hegyeken felállított (Mignone & Pierce-Price, 2010), vagy ballonnal magasra juttatott, illetve űrjárműveken elhelyezett műszerekkel lehet észlelni.
• Az atmoszféra a közepes hullámhosszú rádióhullámok számára átlátszó, így ezeket könnyen meg lehet figyelni a Földről. A tíz méternél nagyobb hullámhosszúságú rádióhullámokat azonban elnyeli a légkör.

Információk az ESA-ról

A European Space Agency (ESA, Európai Űrügynökség)^w2 biztosítja Európa számára az űrbe vezető utat, olyan kutatási programokat szervez, amelyek segítségével jobban megismerhetjük a Földet, a közvetlen környezetünket, a Naprendszert és az Univerzumot. A Földön túli világ megismerése érdekében közreműködik a műholdak fejlesztésében és működtetésében és támogatja az európai űripart.

A Directorate of Science and Robotic Exploration elkötelezett az ESA űrprogramjával és a Naprendszer robotokkal történő kutatásával kapcsolatban. Annak érdekében, hogy minél többet megtudjunk az Univerzumról, a csillagokról, a bolygókról és az élet keletkezéséről, az ESA űrkutatói az Univerzum mélyét, a legtávolabbi galaxisokat kémlelik, a naptevékenység eddig ismeretlen részleteit és a bolygószomszédainkat tanulmányozzák.

Az ESA tagja az EIROforum^w5-nak, amely kiadja a Science in School-t.

A légkör nem csupán a korlátozott áteresztőképessége miatt zavarja a csillagászokat, hanem az áramlások miatt is, ezért az észlelés minősége azoknál a sugárzásoknál is romlik, amelyek áthatolnak a légkörön, például a látható fény tartományban. Annak érdekében, hogy kiküszöböljék ezt a problémát, a 20. század második felétől, az űrkorszak kezdete után a csillagászok a légkör fölé, az űrbe juttatják a távcsöveiket. Ez ugyanolyan forradalmi változást hozott a csillagászatban, mint amilyet 400 évvel ezelőtt az első teleszkóp alkalmazása.

Mivel a különböző fizikai folyamatok során eltérő hullámhosszúságú sugárzások jönnek létre, a kozmikus sugárforrások az EM spektrum egy vagy több tartományában világítanak. A Földön és a világűrben működő távcsövek felhasználásával a csillagászok ugyanazt az objektumot különböző hullámhossz tartományokban képesek megfigyelni, így feltárnak olyan részleteket is, amelyek korábban rejtve maradtak. Megkapó képek születnek így az Univerzumról (3. és 4. kép). Az IR tartományban elvégzett megfigyelések például láthatóvá teszik a csillagközi gáznak és pornak a keverékét, amelyből az új csillagok születnek. A gamma- és a röntgensugarak észlelése pedig lehetővé teszi, hogy a csillagászok megfigyelhessék az Univerzum leghevesebb jelenségeit: azt, amikor a feketelyuk anyagot nyel el vagy a szupernova robbanást.

Pillantás az égre: földi távcsöves csillagászat

Az ESA űrteleszkóphoz kiegészítésként használják az European Southern Observatory (ESO)^w4. földi távcsöveit.A földi atmoszféra által előidézett torzítások csökkentése érdekében ezeket a távcsöveket Chile északi részén építették fel. Az északi félgömbön ez a legjobb helyek közé tartozik a csillagászati megfigyelések szempontjából, ugyanis nagy tengerszint feletti magasságban van és itt száraz a levegő.

Az ESA-hoz hasonlóan az ESO is az EM spektrum különböző tartományaiban végez megfigyeléseket. Az ESO Nagyon Nagy Teleszkópja (Very Large Telescope VLT) a világ legkorszerűbb berendezése a látható fény és az infravörös tartományokban. Négy 8,2 m átmérőjű és négy kisebb távcsövet tartalmaz, amelyek együtt interferometer-ként dolgoznak, a részletekre kiterjedő megfigyeléseket is lehetővé téve. Az Atacama sivatagban még építés alatt áll az ALMA, ami jelenleg a legnagyobb földi csillagászati projekt. Az ESO és a nemzetközi partnerek közötti együttműködés eredményeként az ALMA a milliméter és milliméternél kisebb hullámhosszúságú sugárzásokat érzékeli, és ezzel lehetővé teszi, hogy a csillagászok a jelenleginél sokkal jobb felbontással és érzékenységgel tudják észlelni az Univerzum leghidegebbb és legtávolabbi objektumait (Mignone & Pierce-Price, 2010).

Az ESO tagja az EIROforum^w5-nak, amely kiadja a Science in School-t.

A kozmosz kutatása az EM spektrumon keresztül az egyik tudományos célja az Európai Űrügynökségnek (European Space Agency, ESA; ld. a keretes írást)^w2, amelynek jelenleg öt űrmissziója van (ld. az 5. ábrát). Ezek a növekvő energiák sorrendjében: Planck (milliméter alatti és mikrohullámok), Herschel (IR), Hubble Space Telescope (látható, az IR egy része és UV), XMM-Newton (röntgensugár), és INTEGRAL (gamma- és röntgensugár)^w3.

A jövőben a Science in School-ban olyan cikkeket közlünk, amelyekben részletesebben vizsgáljuk az EM spektrumot az ESA régebbi és jelenlegi űrteleszkópjai segítségével. Ezek a kutatások átalakítják az Univerzumról eddig kialakított képünket.