看不见的颜色:为什么天文学家使用不同的无线电波段来观察宇宙

风车星系M33彩虹

风车星系(M33)的21厘米视图。彩虹的颜色是由于星系的旋转,多普勒移动无线电波。信贷:NRAO/AUI/NSF

无线电波呈现彩虹般的颜色。我们通过无线电波段看到这些颜色,每个波段都有一个关于宇宙的故事。

射电天文学家在我们称之为波段的几个波长范围内观察宇宙。超大阵列(VLA)使用的波长范围从4米到不到1厘米。Atacama大型毫米/亚毫米阵列(阿尔玛)使用从几厘米到三分之一毫米的无线电频段。但是为什么射电望远镜使用如此宽的波长范围呢?答案在于物体发射无线电波的多种方式,以及这种光线如何与星际空间的气体和尘埃相互作用。

长射电波长,比如VLA的波段4,通常是由电离气体产生的。它让我们看到哪里热血浆位于我们的银河系。这些长波长也很有用,因为大多数中性气体在这些波长下是透明的。这意味着,当这种光在太空中传播时,它几乎没有被吸收。较短波长的光通常由特定的原子或分子发出。其中最重要的一条是由中性氢发射的21厘米线。这个波长是观察星系中物质分布的最好方法之一,因为氢是宇宙中最丰富的元素。

10厘米至20厘米范围内的波长对于无线电天空测量尤其有利,例如VLA天空测量(VLASS)。射电星系在这一范围内特别明亮,超大质量星系发射的喷流也是如此黑洞. 通过以这些波长扫描天空,弗拉斯已经拍摄了近1000万个无线电波源的图像。

弗拉斯发现的黑洞驱动的射电星系

弗拉斯发现了黑洞驱动的射电星系。信贷:NRAO/AUI/NSF

波长为1厘米或2厘米的光通常通过一种称为同步辐射. 当电子在强磁场中高速运动时,磁场迫使它们沿着磁力线紧密地螺旋运动。因此,它们发出无线电波。同步辐射在绘制黑洞附近磁场图方面特别有用。在这个范围内发光的另一个过程称为脉泽或者微波激光。我们最熟悉的是发射相干红光的简单激光指示器,但在星际空间中,水囊可以发射波长为1.3厘米的相干光。由于这些水脉泽发出的光波长非常特定,因此它们可以用来测量宇宙膨胀的速率。

毫米量级的射电波长对于研究冷气体和尘埃特别有用。星际空间中的尘埃颗粒发出的光的波长与它们的大小相当,由于这些尘埃的大部分大小约为一毫米,因此它们发出的光的波长最多。这些短波长可能很难观测到,部分原因是我们的大气吸收了这些波长的大部分光。但它们对年轻行星系统的研究也至关重要。阿尔玛已经能够捕捉到年轻恒星周围的气体和尘埃盘,甚至看到了年轻行星开始形成时这些盘内的空隙是如何形成的。它正在彻底改变我们对系外行星形成的理解。

金牛座HL的原行星盘

阿尔玛天文台拍摄的年轻恒星HL Tau及其原行星盘的图像。这张照片是有史以来行星形成过程中最好的照片之一,它揭示了多个环和间隙,预示着当行星在轨道上扫去尘埃和气体时,它们的出现。信贷:ALMA(ESO/NAOJ/NRAO);C.布罗根,B.萨克斯顿(NRAO/AUI/NSF)

但也许其中一个更有趣的无线电波段是阿尔玛的波段6,它捕获波长为1.1-1.4毫米的光。它被用来研究红巨星如何产生热量,以及行星状星云中分子的分布。但它也被用来创造近年来最强大的无线电图像之一,那就是超大质量的黑洞在M87星系的中心。作为“事件地平线”望远镜(EHT)的一部分,世界各地的射电望远镜都使用了6波段接收器,他们收集的数据被结合起来,形成了第一张黑洞的直接图像。

射电对我们的眼睛是看不见的,所以我们很容易认为所有的射电都是一样的。但是射电充满了颜色,就像我们可以看到的可见光的颜色一样。当我们使用射电彩虹的所有颜色时,射电天文学最强大。

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