Bildekreditt: Chandra
Se for deg å lage et naturlig teleskop kraftigere enn noe annet teleskop som for tiden fungerer. Tenk deg å bruke den til å se nærmere kanten av et svart hull der munnen er som en stråle som danner super-varme ladede partikler og spytter dem millioner av lysår ut i verdensrommet. Oppgaven ser ut til å ta en til kanten av ingen retur, et voldelig sted fire milliarder lysår fra Jorden. Dette stedet kalles en kvasar ved navn PKS 1257-326. Det svake glimtet på himmelen får det mer fengende navnet på en ‘blazar’, noe som betyr at det er en kvasar som varierer dramatisk i lysstyrken, og kan skjule et enda mer mystisk, indre svart hull med enorm gravitasjonskraft.
Lengden på et teleskop som trengs for å kikke inn i munnen til blazaren, måtte være gigantisk, omtrent en million kilometer bred. Men akkurat en slik naturlig linse har blitt funnet av et team av australske og europeiske astronomer; linsen er bemerkelsesverdig, en sky av gass. Ideen om et stort, naturlig teleskop virker for elegant til å unngå å kikke inn i.
Teknikken, kalt 'Earth-Orbit Synthesis', ble først skissert av Dr. Jean-Pierre Macquart ved University of Groningen i Nederland og CSIROs Dr David Jauncey i et papir utgitt i 2002. Den nye teknikken lover forskere muligheten til å løse detaljer omtrent 10 mikroarcsekunder over - tilsvarer det å se en sukkerbit på Månen, fra Jorden.
"Det er hundre ganger finere detaljer enn vi kan se med noen annen aktuell teknikk innen astronomi," sier Dr. Hayley Bignall, som nylig fullførte sin doktorgrad ved University of Adelaide og nå er på JIVE, Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry i Europa. “Det er ti tusen ganger bedre enn Hubble-romteleskopet kan gjøre. Og det er like kraftig som alle foreslåtte fremtidige rombaserte optiske og røntgen-teleskoper. "
Bignall gjorde observasjonene med radioteleskopet CSIRO Australia Telescope Compact Array i Øst-Australia. Når hun viser til et mikroarcsekund, er det et mål på vinkelstørrelse, eller hvor stor gjenstand ser ut. Hvis himmelen for eksempel ble delt på grader som en halvkule, er enheten omtrent en tredjedel av en milliarddel av en grad.
Hvordan fungerer det største teleskopet? Å bruke klumpen i en gasssky er ikke helt ukjent for nattevaktene. Som atmosfærisk turbulens får stjernene til å skjule, har vår egen galakse en lignende usynlig atmosfære av ladede partikler som fyller hulrommene mellom stjernene. Enhver klumping av denne gassen naturlig kan danne en linse, akkurat som tetthetsendringen fra luft til glass bøyd og fokuserte lyset i det Galileo først så da han pekte sitt første teleskop mot stjernen. Effekten kalles også scintillasjon, og skyen fungerer som en linse.
Det kan være oppsiktsvekkende å se bedre enn noen andre, men hvordan bestemme hvor jeg skal se ut først? Teamet er spesielt interessert i å bruke 'Earth-Orbit Synthesis' for å kikke i nærheten av sorte hull i kvasarer, som er de superlyse kjernene til fjerne galakser. Disse kvasarene subjekter så små vinkler på himmelen som bare lyspunkter eller radioutslipp. Ved radiobølgelengder er noen kvasarer små nok til å skjule i Galaxy-atmosfæren av ladede partikler, kalt det ioniserte interstellare mediet. Kvasarer glimrer eller varierer mye saktere enn det blinkende man kanskje forbinder med synlige stjerner. Så observatører må være tålmodige for å se dem, selv ved hjelp av de kraftigste teleskopene. Enhver endring på mindre enn en dag anses å være rask. De raskeste scintillatorene har signaler som dobler eller tredoble styrken på under en time. Faktisk drar de beste observasjonene som hittil er gjort nytte av jordens årlige bevegelse, siden den årlige variasjonen gir et fullstendig bilde, og potensielt lar astronomer se de voldsomme endringene i munnen til en svart hull. Det er et av teamets mål: "å sørge for innen en tredjedel av et lysår fra basen til en av disse jetflyene," ifølge CSIROs dr David Jauncey. "Det er den" forretningsmessige enden "der jet er laget."
Det er ikke mulig å "se" inn i et svart hull, fordi disse kollapsede stjernene er så tette at deres overveldende tyngdekraft ikke en gang lar lys slippe ut. Bare oppførsel av materie utenfor en horisont et stykke unna et svart hull kan signalisere at de til og med eksisterer. Det største teleskopet kan hjelpe astronomene til å forstå størrelsen på en jet ved dens base, mønsteret av magnetiske felt der, og hvordan en jet utvikler seg over tid. "Vi kan til og med se etter forandringer når materie streiler nær det sorte hullet og blir spyttet ut langs jetflyene," sier Dr. Macquart.
Astrobiology Magazine hadde muligheten til å snakke med Hayley Bignall om hvordan man lager et teleskop fra gassskyer, og hvorfor kikke dypere enn noen før kan gi innsikt i bemerkelsesverdige hendelser i nærheten av sorte hull. Astrobiology Magazine (AM): Hvordan ble du først interessert i å bruke gassskyer som del av et naturlig fokus for å løse veldig fjerne objekter?
Hayley Bignall (HB): Ideen om å bruke interstellar scintillation (ISS), et fenomen på grunn av radiobølgespredning i turbulente, ioniserte galaktiske gass “skyer”, for å løse veldig fjerne, kompakte gjenstander, representerer virkelig konvergensen av et par forskjellige linjer med forskning, så jeg vil skissere litt av den historiske bakgrunnen.
På 1960-tallet brukte radioastronomer en annen type scintillasjon, interplanetær scintillasjon, på grunn av spredning av radiobølger i solvinden, for å måle sub-arcsecond (1 arcsecond = 1/3600 arc arc) vinkelstørrelser for radiokilder. Dette var høyere oppløsning enn man kunne oppnå på andre måter den gangen. Men disse studiene falt i stor grad ved veikanten med bruk av Very Long Baseline Interferometry (VLBI) på slutten av 1960-tallet, som muliggjorde direkte avbildning av radiokilder med mye høyere vinkeloppløsning - i dag oppnår VLBI oppløsning bedre enn et milliarsekund.
Jeg personlig ble interessert i potensiell bruk av interstellar scintillasjon gjennom å være involvert i studier av radiokildevariabilitet - spesielt variabiliteten til “blazars”. Blazar er et fengende navn som brukes på noen kvasarer og BL Lacertae-objekter - det vil si Active Galactic Nuclei (AGN), som sannsynligvis inneholder supermassive sorte hull som deres "sentrale motorer", som har kraftige jetfly av energiske, strålende partikler som peker nesten rett mot oss .
Vi ser da effekter av relativistisk stråling i strålingen fra strålen, inkludert rask variasjon i intensitet over hele det elektromagnetiske spekteret, fra radio til høyenergi-gammastråler. Det meste av den observerte variabiliteten i disse objektene kunne forklares, men det var et problem: Noen kilder viste meget rask, radioaktiv variasjon i løpet av dagen. Hvis så kort tidsskalavariabilitet med så lange (centimeter) bølgelengder var iboende for kildene, ville de være altfor varme til å holde seg i mange år, slik mange observerte å gjøre. Kilder som er varme bør utstråle all sin energi vekk veldig raskt, som røntgenstråler og gammastråler. På den annen side var det allerede kjent at interstellar scintillasjon påvirker radiobølger; så spørsmålet om den veldig raske radiovariabiliteten faktisk var ISS, eller iboende for kildene, var et viktig spørsmål å løse.
I løpet av doktorgradsstudien min fant jeg tilfeldigvis rask variabilitet i kvasaren (blazar) PKS 1257-326, som er en av de tre raskest radiovariablene AGN som noen gang er observert. Mine kolleger og jeg var i stand til å vise med sikkerhet at den raske radiovariabiliteten skyldtes ISS [scintillation]. Saken for denne spesielle kilden er lagt til et bevis på at radiodagens variasjoner i løpet av dagen generelt hovedsakelig skyldes ISS.
Kilder som viser ISS, må ha veldig små, vinkelstørrelser med mikroarksekund. Observasjoner av ISS kan igjen brukes til å "kartlegge" kildestruktur med mikroarcsekunders oppløsning. Dette er mye høyere oppløsning enn selv VLBI kan oppnå. Teknikken ble skissert i et papir fra 2002 av to av mine kolleger, Dr. Jean-Pierre Macquart og Dr David Jauncey.
Kvasaren PKS 1257-326 viste seg å være en veldig fin "marsvin" som å demonstrere at teknikken virkelig fungerer.
ER: Prinsippene for scintillation er synlige for alle selv uten et teleskop, riktige - der en stjerne blinker fordi den dekker en veldig liten vinkel på himmelen (å være så langt borte), men en planet i solsystemet vårt skinner ikke synlig? Er dette en rettferdig sammenligning av prinsippet for å estimere avstander visuelt med scintillasjon?
HB: Sammenligningen med å se stjerner glimt som et resultat av atmosfærisk scintillasjon (på grunn av turbulens og temperatursvingninger i jordens atmosfære) er en rettferdig; det grunnleggende fenomenet er det samme. Vi ser ikke at planetene glimrer fordi de har mye større vinkelstørrelser - scintillasjonen blir "smurt ut" over planetens diameter. I dette tilfellet er det selvfølgelig fordi planetene er så nær oss at de underbygger større vinkler på himmelen enn stjerner.
Scintillasjon er ikke veldig nyttig for å estimere avstander til kvasarer, men: objekter som er lenger borte har ikke alltid mindre vinkelstørrelser. For eksempel alle pulsarer (spinnende nøytronstjerner) i vår egen Galaxy-scintillat fordi de har veldig små kantete størrelser, mye mindre enn noen kvasar, selv om kvasarer ofte er milliarder av lysår unna. Faktisk har scintillasjon blitt brukt til å estimere pulsaravstander. Men for kvasarer er det mange faktorer foruten avstand som påvirker deres tilsynelatende vinkelstørrelse, og for å komplisere saker ytterligere, på kosmologiske avstander, varierer ikke vinkelstørrelsen på en gjenstand som den inverse avstanden. Generelt er den beste måten å estimere avstanden til en kvasar å måle rødforskyvningen av det optiske spekteret. Da kan vi konvertere målte vinkelskalaer (f.eks. Fra scintillasjon eller VLBI-observasjoner) til lineære skalaer ved rødskiftet av kilden
ER: Teleskopet som beskrevet gir et kvasareksempel som er en radiokilde og observert å variere over et helt år. Er det noen naturlige grenser for kildetypene eller observasjonslengden?
HB: Det er avskjæringer i vinkelstørrelse, utover hvilket scintillasjonen blir "slukket". Man kan forestille radiokildens lysstyrkefordeling som en haug med uavhengig scintillerende “patcher” av en gitt størrelse, slik at etter hvert som kilden blir større, øker antallet slike patcher, og etter hvert blir scintillasjonen over alle lappene gjennomsnitt slik at vi slutte å observere eventuelle variasjoner i det hele tatt. Fra tidligere observasjoner vet vi at for ekstragalaktiske kilder har formen på radiospekteret mye å gjøre med hvor kompakt en kilde er - kilder med "flate" eller "omvendte" radiospektre (dvs. fluksdensitet øker mot kortere bølgelengder) er generelt den mest kompakte. Disse har også en tendens til å være "blazar" -typekilder.
Så langt observasjonslengden går, er det nødvendig å skaffe mange uavhengige prøver av scintillasjonsmønsteret. Dette er fordi scintillation er en stokastisk prosess, og vi trenger å vite noe statistikk om prosessen for å hente ut nyttig informasjon. For raske scintillatorer som PKS 1257-326, kan vi få en tilstrekkelig prøve av scintillasjonsmønsteret fra bare en, typisk 12-timers observasjonsøkt. Tregere scintillatorer må overholdes over flere dager for å få den samme informasjonen. Det er imidlertid noen ukjente å løse for, for eksempel bulkhastigheten til spredningsskjermen i det galaktiske interstellare mediet (ISM). Ved å observere med intervaller fordelt over et helt år, kan vi løse for denne hastigheten - og viktigst av alt, vi får også todimensjonal informasjon om scintillasjonsmønsteret og derav kildestrukturen. Når jorden går rundt solen, kutter vi effektivt gjennom scintillasjonsmønsteret i forskjellige vinkler, ettersom den relative jord / ISM-hastigheten varierer i løpet av året. Forskningsgruppen vår kalte denne teknikken “Earth Orbital Synthesis”, som den er analog med “Earth rotation synthesis”, en standardteknikk innen radiointerferometri.
ER: Et nylig estimat for antall stjerner på himmelen estimerte at det er ti ganger flere stjerner i det kjente universet enn korn av sand på jorden. Kan du beskrive hvorfor jetfly og sorte hull er interessante som objekter som er vanskelige å løse, selv ved å bruke nåværende og fremtidige romteleskoper som Hubble og Chandra?
HB: Objektene vi studerer er noen av de mest energiske fenomenene i universet. AGN kan være opptil ~ 1013 (10 til makten 13, eller 10 000 billioner) ganger mer lysende enn sola. De er unike “laboratorier” for fysikk med høy energi. Astrofysikere vil gjerne forstå prosessene som er involvert i dannelsen av disse enormt kraftige jetflyene nær det sentrale supermassive sorte hullet. Ved hjelp av scintillasjon for å løse de indre områdene av radiostråler, kikker vi nær "munnstykket" der strålen dannes - nærmere handlingen enn vi kan se med noen annen teknikk!
ER: I forskningsoppgaven påpeker du at hvor raskt og hvor sterkt radiosignalene varierer avhenger av størrelsen og formen til radiokilden, størrelsen og strukturen til gassskyene, jordens hastighet og retning når den beveger seg rundt solen, og hastigheten og retningen som gass skyene beveger seg i. Er det innebygde antagelser om enten formen på gassskyen ‘objektivet’ eller formen på observert objekt som er tilgjengelig med teknikken?
Selv om den ikke er nyttig med bilder, har den ringetåpen det antydende utseendet til et fjerntliggende teleskopobjektiv. 2000 lysår fjernt i retning stjernebildet, Lyra, er ringen dannet i de sene stadiene av den indre stjernens liv, når den kaster et tykt og ekspanderende ytre gasslag. Kreditt: NASA Hubble HST
HB: I stedet for å tenke på gassskyer, er det kanskje mer nøyaktig å forestille en faseskiftende "skjerm" av ionisert gass, eller plasma, som inneholder et stort antall celler med turbulens. Hovedantakelsen som går inn i modellen er at størrelsesskalaen til de turbulente svingningene følger et maktrettslig spekter - dette ser ut til å være en rimelig antagelse, fra det vi vet om generelle egenskaper ved turbulens. Turbulensen kan være foretrukket langstrakt i en bestemt retning, på grunn av magnetfeltstruktur i plasma, og i prinsippet kan vi få litt informasjon om dette fra det observerte scintillasjonsmønsteret. Vi får også litt informasjon fra scintillasjonsmønsteret om formen til det observerte objektet, så det er ingen innebygde forutsetninger om det, selv om vi på dette stadiet bare kan bruke ganske enkle modeller for å beskrive kildestrukturen.
ER: Er raske scintillatorer et godt mål for å utvide metodens funksjoner?
HB: Raske scintillatorer er bra ganske enkelt fordi de ikke trenger så mye observasjonstid som langsommere scintillatorer for å få samme mengde informasjon. De tre første “intra-timers” scintillatorene har lært oss mye om scintillasjonsprosessen og om hvordan man gjør “Earth Orbit Synthesis”.
ER: Er det planlagt flere kandidater for fremtidige observasjoner?
HB: Mine kolleger og jeg har nylig foretatt en stor undersøkelse ved å bruke Very Large Array i New Mexico for å lete etter nye skinnende radiokilder. De første resultatene av denne undersøkelsen, ledet av Dr. Jim Lovell fra CSIROs Australia Telescope National Facility (ATNF), ble nylig publisert i Astronomical Journal (oktober 2003). Av 700 observerte flate spektrum radiokilder fant vi mer enn 100 kilder som viste betydelig variabilitet i intensitet over en 3-dagers periode. Vi foretar oppfølgingsobservasjoner for å lære mer om kildestruktur på ultrakompakte, mikroarcsekund skalaer. Vi vil sammenligne disse resultatene med andre kildeegenskaper som for eksempel utslipp ved andre bølgelengder (optisk, røntgen, gammastråle) og struktur på større romlige skalaer, slik som sett med VLBI. På denne måten håper vi å lære mer om disse veldig kompakte temperaturkildene med høy lysstyrke, og også i prosessen lære mer om egenskapene til det interstellare mediet til vår egen Galaxy.
Det ser ut til at grunnen til veldig rask scintillasjon i noen kilder er at plasmaspredningsskjermen som forårsaker mesteparten av scintillasjonen er ganske nærliggende, innen 100 lysår etter solsystemet. Disse "skjermene" i nærheten er tilsynelatende ganske sjeldne. Undersøkelsen vår fant svært få raske scintillatorer, noe som var noe overraskende da to av de tre raskeste kjente scintillatorene ble oppdaget serendipitøst. Vi tenkte at det kan være mange flere slike kilder!
Originalkilde: Astrobiology Magazine
