Künstlerillustration des Atacama Large Millimeter Arrays, das derzeit im Bau ist. Bildnachweis: ESO. Klicken um zu vergrößern.
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Fraser Cain: Können Sie mir Hintergrundinformationen zum Submillimeter-Spektrum geben? Wo passt das hin?
Paul Ho: Der Submillimeter hat formal eine Wellenlänge von 1 Millimeter und ist kürzer. Eine Frequenz von 1 Millimeter Wellenlänge entspricht also etwa 300 Gigahertz oder 3 × 10 ^ 14 Hertz. Es ist also eine sehr kurze Wellenlänge. Von diesem bis zu einer Wellenlänge von etwa 300 Mikrometern oder einem Drittel eines Millimeters nennen wir den Submillimeterbereich. Für das Radio ist es so etwas wie das Ende des atmosphärischen Fensters, weil der Himmel aufgrund der Atmosphäre im Wesentlichen kürzer ist, etwa einen Drittel Millimeter.
Fraser: Das sind also Radiowellen, wie Sie sie im Radio hören würden, aber viel kürzer - nichts, was ich jemals in meinem UKW-Radio empfangen könnte. Warum können sie das Universum dort betrachten, wo es kalt ist?
Ho: Jedes Objekt, das wir kennen oder sehen, strahlt normalerweise eine Energiestreuung aus, die die Materialien charakterisiert, über die wir sprechen. Deshalb nennen wir dies ein Spektrum. Und dieses Energiespektrum hat typischerweise eine Spitzenwellenlänge - oder die Wellenlänge, bei der der Großteil der Energie abgestrahlt wird. Diese charakteristische Wellenlänge hängt von der Temperatur des Objekts ab. Je heißer das Objekt ist, desto kürzer ist die Wellenlänge und je kühler das Objekt ist, desto länger ist die Wellenlänge. Für die Sonne mit einer Temperatur von 7.000 Grad haben Sie eine Spitzenwellenlänge, die in der Optik austritt. Deshalb sind unsere Augen natürlich auf die Optik abgestimmt, weil wir in der Nähe der Sonne leben. Wenn sich das Material abkühlt, wird die Wellenlänge dieser Strahlung immer länger, und wenn Sie eine charakteristische Temperatur von beispielsweise 100 Grad über dem absoluten Nullpunkt erreichen, tritt diese Spitzenwellenlänge irgendwo im fernen Infrarot oder Submillimeter aus. Eine Wellenlänge in der Größenordnung von 100 Mikrometern oder etwas länger als diese, was sie in den Submillimeterbereich bringt.
Fraser: Und wenn ich meine Augen austauschen und durch einen Satz Submillimeter-Augen ersetzen könnte, was könnte ich sehen, wenn ich in den Himmel schauen würde?
Ho: Natürlich würde der Himmel weiterhin ziemlich kühl sein, aber Sie würden anfangen, viele Dinge aufzunehmen, die ziemlich kalt sind und die Sie in der optischen Welt nicht sehen würden. Dinge wie Materialien, die um einen Stern herumwirbeln und cool sind, in der Größenordnung von 100 Kelvin; Taschen mit molekularem Gas, in denen sich Sterne bilden - sie wären kälter als 100 K. Oder im sehr fernen, frühen Universum, wenn Galaxien zum ersten Mal zusammengesetzt werden, ist dieses Material auch sehr kalt, was Sie in der optischen Welt nicht sehen können , dass Sie möglicherweise im Submillimeter sehen können.
Fraser: Welche Instrumente benutzen Sie hier oder im Weltraum?
Ho: Es gibt Boden- und Weltrauminstrumente. Vor 20 Jahren begannen die Menschen im Submillimeterbereich zu arbeiten, und es gab einige Teleskope, die in dieser Wellenlänge zu arbeiten begannen. In Hawaii gibt es auf Mauna Kea zwei: das James Clerk Maxwell Telescope mit einem Durchmesser von etwa 15 Metern und das Caltech Submillimeter Observatory mit einem Durchmesser von etwa 10 Metern. Wir haben ein Interferometer gebaut, bei dem es sich um eine Reihe von Teleskopen handelt, die so koordiniert sind, dass sie als einzelnes Instrument auf Mauna Kea arbeiten. Also 8 Teleskope der 6-Meter-Klasse, die miteinander verbunden sind und auseinander oder näher zusammenbewegt werden können, bis zu einer maximalen Grundlinie oder Entfernung von einem halben Kilometer. Dieses Instrument simuliert also ein sehr großes Teleskop mit einer maximalen Größe von einem halben Kilometer und erreicht daher im Vergleich zu bestehenden Einzelelementteleskopen einen sehr hohen Auflösungswinkel.
Fraser: Es ist viel einfacher, das Licht von Radioteleskopen zu kombinieren. Ich denke, deshalb können Sie das tun?
Ho: Nun, die Interferometer-Technik wird seit einiger Zeit im Radio verwendet, also haben wir diese Technik ziemlich gut perfektioniert. Natürlich beginnen die Menschen im Infrarot- und optischen Bereich auch auf diese Weise zu arbeiten und arbeiten an Interferometern. Wenn Sie die Strahlung kombinieren, müssen Sie im Grunde die Phasenfront der einfallenden Strahlung verfolgen. Normalerweise erkläre ich dies so, als ob Sie einen sehr großen Spiegel hätten und ihn zerbrochen hätten, sodass Sie nur ein paar Teile des Spiegels reservieren und dann Sie Wenn Sie die Informationen aus diesen wenigen Spiegeln rekonstruieren möchten, müssen Sie einige Dinge tun. Erstens müssen Sie in der Lage sein, die Spiegelstücke relativ zueinander ausgerichtet zu halten, so wie es war, als es ein ganzer Spiegel war. Und zweitens, um den Fehler korrigieren zu können, da bei so vielen Spiegelstücken, die nicht vorhanden sind, viele Informationen fehlen und Sie nur einige wenige Teile probieren. Aber diese spezielle Technik namens Apertursynthese, bei der ein Teleskop mit sehr großer Apertur unter Verwendung kleiner Teile hergestellt werden soll, ist natürlich das Ergebnis einer Nobelpreisarbeit von Ryle und Hewish vor einigen Jahren.
Fraser: Welche Instrumente werden in Zukunft entwickelt, um diese Wellenlänge zu nutzen?
Ho: Nachdem unsere Teleskope gebaut wurden und wir arbeiten, wird es in Chile ein noch größeres Instrument geben, das Atacama Large Millimeter Array (ALMA), das aus viel mehr Teleskopen und größeren Öffnungen bestehen wird viel empfindlicher als unser wegweisendes Instrument. Aber unser Instrument wird hoffentlich beginnen, die Zeichen und die Natur der Welt in der Submillimeterwellenlänge zu entdecken, bevor die größeren Instrumente kommen, um mitmachen und sensibler arbeiten zu können.
Fraser: Wie weit können diese neuen Instrumente schauen? Was konnten sie sehen?
Ho: Eines der Ziele unserer Disziplin der Submillimeter-Astronomie ist es, auf den frühesten Teil des Universums in der Zeit zurückzublicken. Wie ich bereits erwähnt habe, sind sie im frühen Stadium des Universums, als es Galaxien bildete, in den frühen Phasen, in denen Galaxien zusammengebaut wurden, viel kälter und strahlen, wie wir denken, hauptsächlich im Submillimeterbereich aus. Und Sie können sie zum Beispiel mit dem JCM-Teleskop auf Mauna Kea sehen. Sie können einige der frühen Universen sehen, die sehr stark rotverschobene Galaxien sind; Diese sind im optischen Bereich nicht sichtbar, aber im Submillimeterbereich. Dieses Array kann sie abbilden und sehr aktiv lokalisieren, wo sie sich am Himmel befinden, damit wir sie weiter untersuchen können. Diese sehr frühen Galaxien, diese frühen Formationen, glauben wir, weisen sehr hohe Rotverschiebungen auf - wir geben diese Zahl Z, die eine Rotverschiebung von 6, 7, 8 ist - sehr früh in der Bildung des Universums an, also zurückblickend auf vielleicht 10% der Zeit, als das Universum zusammengebaut wurde.
Fraser: Meine letzte Frage an Sie ... Deep Impact kommt in ein paar Wochen. Werden Ihre Observatorien dies auch beobachten?
Ho: Oh ja natürlich. Der tiefe Aufprall ist in der Tat etwas, an dem wir interessiert sind. Für unser Instrument haben wir Körper vom Typ Sonnensystem untersucht, und dies schließt nicht nur die Planeten ein, sondern auch die Kometen, wenn sie sich nähern oder aufprallen, von denen wir erwarten, dass sie Material sehen Spucken Sie ab, was wir im Submillimeter verfolgen sollten, da wir nicht nur die Staubemissionen betrachten, sondern auch die Spektrallinien der austretenden Gase beobachten können. Wir erwarten daher, dass wir unsere Aufmerksamkeit auf dieses Ereignis lenken und es auch abbilden können.
Paul Ho ist Astronom am Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik in Cambridge, Massachusetts.
