Πώς να μετρήσετε τη μάζα του Γαλαξία με έναν μεταλλικό κουβά μπογιάς

Σκεφτήκατε ποτέ ποιο θα ήταν το πιο απλό όργανο που θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε για να πραγματοποιήσετε μια αστρονομική παρατήρηση; Χρησιμοποιώντας έναν άδειο τενεκέ μπογιάς, κάποια απλά ηλεκτρονικά κυκλώματα και έναν υπολογιστή, μπορείτε να εντοπίσετε το πιο σύνηθες στοιχείο του Γαλαξία μας: το ουδέτερο υδρογόνο!

Το ουδέτερο υδρογόνο (ή HI)  εκπέμπει ασθενή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μήκος κύματος 21 εκατοστών, που οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν για να χαρτογραφήσουν γαλαξίες, όπως τον δικό μας. Συνήθως, τέτοια σήματα καταγράφονται με τεράστια και πανάκριβα ραδιοτηλεσκόπια, αλλά για μια απλή παρατήρηση, αρκεί μια αυτοσχέδια διάταξη με ένα μεταλλικό δοχείο, έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου και έναν δέκτη ραδιοσυχνοτήτων USB.

Το πείραμα αυτό είναι ένα που εκτελείται στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα του πανεπιστημίου του Leiden από φοιτητές τα τελευταία χρόνια στο μάθημα της ραδιοαστρονομίας. Η όλη διάταξη πρέπει να στηθεί σε εξωτερικό χώρο, ώστε να περιοριστεί ο θόρυβος από άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Χρησιμοποιήθηκε ένας κυλινδρικός μεταλλικός τενεκές ως κυματοδηγός (waveguide antenna), συνδεδεμένος αρχικά με τον ενισχυτή χαμηλού θορύβου με φίλτρο για την περιοχή των 1420 MHz (NooElec SAWBird+ H1)¹. Από εκεί, το ενισχυμένο σήμα μεταφερόταν μέσω ομοαξονικού καλωδίου στον δέκτη (Airspy R2 SDR), ο οποίος το έστελνε στον υπολογιστή. Η επεξεργασία των σημάτων έγινε με το λογισμικό GNU Radio, και η τελική ανάλυση με Python.

Για τη συλλογή δεδομένων, η διάταξη στράφηκε προς τον ουρανό, προς την περιοχή που γνωρίζαμε ότι θα βρισκόταν ο Γαλαξίας, όπου και καταγράφηκε μια  αιχμή κοντά στα 1.42 GHz, ενώ μια δεύτερη, μικρότερη αιχμή εμφανίστηκε λίγο παραδίπλα. Η μετατόπιση σε σχέση με την κύρια αιχμή υποδεικνύει πως το δεύτερο αυτό νέφος HI που εντοπίσαμε έχει διαφορετική ταχύτητα σε σχέση με το κύριο νέφος και μας οδηγεί στο συμπέρασμα πως προέρχεται από μία άλλη σπείρα του Γαλαξία. Με λίγα λόγια, όχι απλώς πέτυχε η παρατήρηση, αλλά εντοπίστηκε ακόμα και η δομή του Γαλαξία!

Μετρώντας τη μετατόπιση της συχνότητας λόγω του φαινομένου Doppler, υπολογίστηκε η ταχύτητα του αερίου. Από αυτήν, εκτιμήθηκε η ταχύτητα της εξωτερικής περιοχής του Γαλαξία και, τελικά, η συνολική του μάζα: περίπου ένα τρισεκατομμύριο φορές η μάζα του Ήλιου, μια τιμή που, σε τάξη μεγέθους, συμφωνεί με τα αποτελέσματα επαγγελματικών παρατηρητηρίων.

Όλα αυτά επιτεύχθηκαν με απλά υλικά, περιορισμένο προϋπολογισμό και καλή σχεδίαση. Το πείραμα απέδειξε ότι ακόμη και με ταπεινά μέσα μπορεί κανείς να κάνει αστρονομία και να “ακούσει” τα σήματα που στέλνει συνεχώς ο Γαλαξίας μας!

1. Η συχνότητα αυτή (1420 MHz ή 1.42 GHz) αντιστοιχεί σε μήκος κύματος περίπου 21cm. ↩︎