Πώς συμπεραίνουμε τις πηγές αστροφυσικών σημάτων;

Στην αστροφυσική, δεν έχουμε την πολυτέλεια να πάρουμε μια μεζούρα ή να περπατήσουμε μέχρι το αντικείμενο που μελετάμε. Το Σύμπαν είναι σκοτεινό, αχανές και το μόνο που φτάνει σε εμάς είναι «μηνύματα» με τη μορφή φωτός (φωτόνια) ή βαρυτικών κυμάτων (ή σωματιδίων, αλλά αυτό είναι άλλο θέμα…).

Για να κατανοήσουμε τι βλέπουμε, πρέπει να λύσουμε δύο θεμελιώδη προβλήματα ταυτόχρονα: «Από πού ακριβώς έρχεται το σήμα;» (Εντοπισμός/Localization) και «Πόσο μακριά βρίσκεται;» (Μέτρηση Απόστασης).

Για να το πετύχουμε αυτό, οι αστρονόμοι έχουν αναπτύξει εξειδικευμένα «μάτια» για κάθε είδος ενέργειας και μια «σκάλα» που μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα σε έτη φωτός, δηλαδή αποστάσεις.

Μέρος 1: Εντοπισμός (Localization) – Βρίσκοντας το «X» στον Χάρτη

Το πρώτο βήμα είναι να εστιάσουμε στην πηγή. Η τεχνολογία που χρησιμοποιούμε εξαρτάται αποκλειστικά από τη συχνότητα (ή ισοδύναμα το μήκος κύματος) της ακτινοβολίας, με άλλα λόγια από το που εκπέμπει η πηγή στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (δείτε περισσότερα εδώ και εδώ). Υπενθυμίζουμε ότι διαφορετικές συχνότητες αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές ενέργειας.

1. Ραδιοκύματα: Η έννοια του συγχρονισμού

Τα ραδιοκύματα είναι φως με μεγάλο μήκος κύματος (άρα χαμηλής ενέργειας), οπότε για να δούμε λεπτομέρειες θα χρειαζόμασταν «πιάτα» χιλιομέτρων. Επειδή αυτό είναι αδύνατο, χρησιμοποιούμε τη Συμβολομετρία (Interferometry).

• Το όργανο: Συστοιχίες κεραιών (όπως το VLA ή το EHT).
• Πώς εντοπίζει: Πολλά μικρά τηλεσκόπια σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους στοχεύουν το ίδιο σημείο. Συνδυάζοντας τα σήματα τους στον χρόνο, δημιουργούμε ένα «εικονικό» τηλεσκόπιο με διάμετρο ίση με την απόσταση των κεραιών. Αυτό μας δίνει την υψηλότερη δυνατή ακρίβεια εντοπισμού από οποιαδήποτε άλλη μέθοδο.
• Ακρίβεια: Με τη χρήση της συμβολομετρίας, μπορούμε να εντοπίσουμε αντικείμενα στον ουρανό με ακρίβεια ίση ή μικρότερη από 0.001 arcseconds. Το ένα arcsecond (δευτερόλεπτο του τόξου) αντιστοιχεί σε 1/3600 μοίρες.

Διαβάστε περισσότερα για τη ραδιοαστρονομία: εδώ!

2. Ορατό και Υπέρυθρο Φως: κάτοπτρα και φακοί

Εδώ η μέθοδος είναι κλασική, αλλά η τεχνολογία αιχμής.

• Το όργανο: Τηλεσκόπια με κοίλα κάτοπτρα και αισθητήρες CCD.
• Πώς εντοπίζει: Το κάτοπτρο συγκεντρώνει το φως και το εστιάζει σε ένα μικροσκοπικό τσιπ. Για να ξέρουμε ακριβώς πού κοιτάμε, χρησιμοποιούμε «οδηγούς αστέρες» (guide stars) που κλειδώνουν τη θέση του τηλεσκοπίου με ακρίβεια κλάσματος του δευτερολέπτου της μοίρας.
• Ακρίβεια: Εξαρτάται από το μήκος κύματος που παρατηρούμε και το μέγεθος του κατόπτρου (δείτε εδώ κάποια παραδείγματα από τη NASA, στα αγγλικά). Η καλύτερη ακρίβεια μέχρι στιγμής είναι της τάξης των 0.01 arcseconds.

Διαβάστε περισσότερα για την οπτική και υπέρυθρη αστρονομία: εδώ, εδώ, εδώ, εδώ, εδώ, εδώ!

3. Ακτίνες Χ: «κουταλάκια» στα κάτοπτρα

Οι ακτίνες Χ είναι τόσο ισχυρές που διαπερνούν τους κανονικούς καθρέφτες. Χρειάζεται επομένως μια διαφορετική μέθοδος για να πετύχουμε σύγκλιση των ακτίνων.

• Το όργανο: Τηλεσκόπια τύπου Wolter (Grazing Incidence).
• Πώς εντοπίζει: Τα κάτοπτρα τοποθετούνται σχεδόν παράλληλα με την πορεία των ακτίνων. Οι ακτίνες Χ χτυπούν «ξυστά» (όπως κάνουμε «κουταλάκια» με μια πέτρα στη θάλασσα) και οδηγούνται σιγά-σιγά προς τον ανιχνευτή για να σχηματίσουν εικόνα.
• Ακρίβεια: Εξαρτάται από την ενέργεια των ακτίνων Χ και τον συγκεκριμένο ανιχνευτή. Η ακρίβεια μπορεί να κυμαίνεται από 0.5 arcseconds μέχρι και αρκετά arcminutes (λεπτά του τόξου), όπου ένα arcminute είναι 1/60 της μοίρας.

Διαβάστε περισσότερα για την αστρονομία ακτίνων Χ: εδώ!

4. Ακτίνες γάμμα: Οι σκιές

Οι ακτίνες γάμμα δεν εστιάζονται. Με άλλα λόγια είναι πολύ διεισδυτικές – χρειαζόμαστε τουλάχιστον κάποια μέτρα τσιμέντου πριν απορροφηθεί ένα σημαντικό μέρος τους.

• Το όργανο: Κωδικοποιημένες Μάσκες (Coded Masks) ή Ανιχνευτές Σωματιδίων.
• Πώς εντοπίζει: Τοποθετούμε μια μάσκα με τρύπες μπροστά από τον ανιχνευτή. Η πηγή ρίχνει τη «σκιά» της μάσκας στον αισθητήρα. Από το σχήμα της σκιάς, ο υπολογιστής ανακατασκευάζει μαθηματικά τη θέση της πηγής στον ουρανό.
• Ακρίβεια: Εξαρτάται από την ενέργεια των ακτίνων γ και τον συγκεκριμένο ανιχνευτή. Η ακρίβεια μπορεί να κυμαίνεται από μερικές μοίρες σε λίγα arcminutes.

Διαβάστε περισσότερα για την αστρονομία ακτίνων γ: εδώ!

5. Βαρυτικά Κύματα

Η περίπτωση των βαρυτικών κυμάτων διαφέρει από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, για έναν βασικό λόγο: τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περάσουν “ανενόχλητα” μέσα από τη Γη χωρίς να απορροφηθούν από την ατμόσφαιρα, ή το ίδιο το έδαφος. Το γεγονός αυτό κάνει πιο δύσκολη τη διαλεύκανση της προέλευσης τους, καθώς ένας βαρυτικός ανιχνευτής δεν μπορεί να καταλάβει αν ένα κύμα ήρθε ακριβώς από πάνω ή από κάτω του. Το πρόβλημα αυτό λύνεται με τους εξής τρόπους (από τους γήινους ανιχνευτές):

• Το όργανο: Παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων μέσω συμβολόμετρου λέιζερ
• Πώς εντοπίζει:
  
  1) Η βασική διέξοδος είναι να κατασκευάσουμε πολλούς ανιχνευτές. Έτσι, όταν ένα σήμα παρατηρηθεί από αρκετούς από αυτούς, μπορούμε να ελέγξουμε με ποια σειρά ανιχνεύτηκε το σήμα, δηλαδή από ποιον ανιχνευτή πέρασε πρώτα. Και άρα να καταλάβουμε την κατεύθυνση προέλευσης του.  Για τη σημασία των πολλαπλών ανιχνευτών έχουμε γράψει και εδώ.
  

2) Ο δεύτερος τρόπος είναι και πιο τεχνικός και πιο δύσκολος, λόγω πειραματικών δυσκολιών. Ένα βαρυτικό κύμα έχει, σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, δύο καταστάσεις πόλωσης. Οι βαρυτικοί ανιχνευτές έχουν διαφορετική ευαισθησία σε κάθε κατάσταση ανάλογα από το που έρχεται το κύμα. Οπότε σε πολύ συγκεκριμένες, σπάνιες περιπτώσεις, είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί και αυτό το στοιχείο για να περιοριστεί η περιοχή από την οποία προέρχεται το σήμα. Ένα πιο καθημερινό παράδειγμα, με παρόμοια λογική, είναι οι πολωτικοί φακοί στα γυαλιά Ηλίου: οι φακοί αυτοί εμποδίζουν συγκεκριμένες ακτίνες να περάσουν, με αποτέλεσμα η εικόνα να είναι πιο καθαρή (τα χρώματα έχουν καλύτερο contrast). Αν κάποιος γνώριζε με λεπτομέρεια την κατασκευή των πολωτικών φακών, με κατάλληλη τοποθέτηση θα ήξερε, ή τουλάχιστον θα μπορούσε να περιορίσει, την περιοχή προέλευσης κάποιου σήματος (δείτε εδώ).

• Ακρίβεια: Η ακρίβεια των βαρυτικών ανιχνευτών είναι ακόμα αρκετά “κακή”, σε σχέση με τα συνήθη οπτικά τηλεσκόπια, και στην καλύτερη περίπτωση φτάνει τις δεκάδες μοίρες.

Διαβάστε περισσότερα για την αστρονομία βαρυτικών κυμάτων: εδώ και εδώ!

Το άρθρο έγραψαν οι: Μάριος Καλλομενόπουλος και Στέλλα Μπουλά.