Történelem | Jog | Életmód | Földrajz | Kultúra | Egészség | Gazdaság | Politika | Mesterségek | Tudományok

A TUDÁS 365+1 NAPJA

A látható fény tartománya

A földi légkör az elektromágneses színképből a látható fényt, a rádiósugárzást és az infravörös hullámok egy részét engedi át, de még e sugárzások is kissé gyengítve érik el a földfelszíni műszereket. A rövidebb hullámhosszú, vagyis nagy energiájú ibolyántúli, röntgen- és gammasugarakat a légkör elnyeli. Ez egyben azt is jelenti, hogy az atmoszféra mint védőréteg fölé emelkedő asztronauták az űrállomáson kívüli tevékenységük során ki vannak téve e sugárzások káros hatásainak. Az űrhajósok védőöltözetét úgy kell kialakítani, hogy a szkafander az oxigénellátás mellett szűrje ki az élő szervezetre káros sugárzásokat is. A kozmikus térségben tartózkodó embert veszélyezteti a nagy sebességgel száguldó kisebb-nagyobb testekkel való ütközés is. Már az egészen apró meteoroidok becsapódása is jóvátehetetlen kárt okozhat az űrhajók burkolatában vagy az űrhajón kívül tartózkodó ember szkafanderében, de ennek tárgyalása kívül esik cikkünk keretein.

Kezdjük az áttekintést az elektromágneses sugárzás szemmel is érzékelhető tartományával, az optikai hullámokkal! A korunkra jellemző energiapazarlást jól szemléltetik azok a képek, amelyek odafentről, a mesterséges holdak irányából mutatják a földi éjszakát. A fénytérképet szinte csak a színezés hiánya különbözteti meg a gazdasági földrajzi térképektől: minden város jól kivehető, a területének megfelelő nagyságú fényfoltként jelenik meg. Az iparvidékeket egybefüggő fénytenger jelzi. Mindez azért, mert a fényforrások egy része - szükségtelenül - fölfelé (is) világít, illetve a jól beállított, csak lefelé világító lámpák fényének egy része szóródik a levegőben levő porszemcséken és egyéb szennyeződésen. A fénytérkép tehát nemcsak a fényszennyezést mutatja, hanem azt is jelzi, hogy egyébként is mennyire szennyezett a nagyobb települések levegője.

Az optikai csillagászat obszervatóriumainak közvetlen közelében a csillagászok hozzájárulása nélkül általában nem lehet új fényforrást, új épületet létesíteni. A városok terjeszkedése miatt a korábban épült, egykor még a városon kívül vagy azok szélén levő obszervatóriumok (bel)városi csillagvizsgálókká váltak, amelyekben ma már többnyire lehetetlen tudományos értékű asztronómiai megfigyeléseket végezni. Ezen a közelükre korlátozódó fényvédelem sem segít, hiszen a légkörben lebegő aeroszolon és porszemcséken szóródó fénytől az egész égbolt határfényessége megnő, amihez nemcsak a közeli, hanem a távolabbi fényforrások is hozzájárulnak. A városlakók többsége nem látta még a Tejutat, és az állatövi fényt is legfeljebb hírből ismeri. Vagy még onnan sem, és az állatövről csak a horoszkópra asszociál, ám a saját jegyéhez tartozó csillagképet nem ismeri fel az égbolton, ez utóbbit azzal magyarázva, hogy a csillagok túlságosan halványak. A földi fényekhez szokott szemlélettel egyébként is nehéz felfogni az égitestekről érkező sugárzási fluxus gyengeségét. A keveset mondó számértékeknél jobban jellemzi a helyzetet egy több mint fél évszázados anekdota. A legnagyobb távcsövekkel akkoriban már elsősorban spektroszkópiai megfigyeléseket végeztek, és a halvány égitestekről csak több órás expozícióval lehetett használható színképet készíteni. A történet szerint a csillagász azt kérte az obszervatóriumba látogató dohányos vendégeitől, hogy távozásuk után egy darabig ne gyújtsanak rá, mert a felvillanó gyufa fénye zavaró színképvonalakat kelt a gyenge égi forrásról készítendő spektrumban.

Napjaink legkorszerűbb optikai csillagászati berendezései több nagyságrenddel érzékenyebbek a néhány évtizeddel korábbiaknál - a legnagyobb távcsövek főtükrének átmérője már a tíz métert is eléri, a jelek regisztrálásában pedig a fényképezést az elektronikus rögzítés váltotta fel -, az órákig tartó expozíció mégsem ment ki a divatból, mert az egykor észlelt halvány objektumoknál sokkalta halványabbak is akadnak.

Jellemző, hogy az optikai csillagászat megfigyelőhelyei a lehető legmesszebbre kerültek a lakott területektől. Az ilyen obszervatóriumokat ugyanis oda érdemes telepíteni, ahol az ipari és fényszennyezés még nem tette tönkre a légkört és a lehető legnagyobb a felhőmentes éjszakák száma. E követelményeknek a száraz klímájú magashegységek felelnek meg a legjobban. A legjelentősebb földi obszervatóriumokat a Hawaii-szigetek és a Kanári-szigetek néptelen csúcsaira, valamint az Andok chilei fennsíkjaira telepítették. Ebben a tengerszint feletti magasságban a tartós munkavégzés szigorú egészségügyi követelményeket támaszt az oda utazókkal szemben. Újabban az Antarktisz is az optikai csillagászat megfigyelőbázisai közé került. Az ottani levegő tisztasága mellett a hideg helyszín előnyei még az alacsony páratartalom és a folyamatos megfigyelési lehetőség, hiszen az ottani télen hónapokig nem kel fel a nap. A megszakítás nélküli hosszú adatsorok a többszörösen periódusos jelenségek vizsgálatában fontosak, mert az elemzést nem nehezítik a szakaszos mintavételezés következtében fellépő hamis frekvenciák.

A legjobban kihasználható optikai távcső azonban nem a Földön van, hanem a légkör legnagyobb része fölött kering a Föld körül. Mivel állandó helyszíni személyzete nincs, az 1990 óta működő Hubble-űrtávcső minden feladatát automatikusan, illetve földi irányítással végzi. A zavartalan működés érdekében azonban néha szükség van az ember helyszíni beavatkozására. A Hubble-űrtávcsövet eleve kis magasságú pályára helyezték, hogy az űrrepülőgépen utazó asztronauták eljuthassanak hozzá. Egy-egy karbantartás során az űrtávcsövet a robotkarral beemelik az űrrepülőgép rakterébe, és nemcsak kicserélik az elromlott vagy elavult detektorokat, segédberendezéseket, hanem minden szerviz alkalmával az űrrepülőgép kicsit távolabb is viszi az űrtávcsövet, mert 600 km-rel a felszín fölött még nem teljesen elhanyagolható a légkör fékező hatása. Az ebben a magasságban keringő űreszköz 2-3 év alatt jócskán fékeződik a közegellenállástól, emiatt alacsonyabbra kerül, ahol még sűrűbb a légkör és nagyobb a fékező hatása.

Az optikai tartományt vizsgáló űrtávcső semmiképp nem teszi szükségtelenné a földfelszíni optikai csillagászatot. Ami az alig két és fél méter átmérőjű Hubble-űrtávcsővel már nem vizsgálható, arról a földi óriástávcsövekkel még éppen elég foton gyűjthető össze. A költséges üzemeltetés miatt a csillagászok érdeke, hogy figyelembe vegyék, milyen kutatást melyik műszerrel érdemes végezni.

Rádiócsillagászat

A 20. század közepén kialakult rádiócsillagászat eszközei szintén földfelszíni teleszkópok. Mivel a kozmikus rádiósugárzás vizsgálatához hatalmas berendezésekre van szükség, a rádiócsillagászok nem menekülhetnek túlságosan távol a civilizáció által érintett területektől. A nagy átmérőjű teleszkópokat nemcsak a detektálandó jel kis intenzitása teszi szükségessé, hanem az is, hogy elegendően nagy felbontású képet sikerüljön alkotni, illetve, hogy meg lehessen különböztetni két, egymástól kis szögtávolságra levő pontszerű rádióforrást. Egy távcső felbontóképessége ugyanis az elektromágneses sugárzás hullámhosszával egyenesen, a sugárzást gyűjtő teleszkóp átmérőjével pedig fordítottan arányos. Mivel a rádiósugárzás hullámhossza a millimétertől a kilométerig terjedő tartományba esik (ebből a földi légkör a 8 mm-15 m közötti tartományba eső hullámokat engedi át), az optikai távcsövekével azonos felbontás eléréséhez ezerszer-egymilliárdszor nagyobb átmérőjű rádióteleszkópokra volna szükség, mint a látható fény vizsgálatához. Ekkora műszerek készítésének technikai és pénzügyi akadályai is vannak.

A tetszőleges égi irányba mozgatható legnagyobb rádióteleszkópok átmérője 100 m körüli, de még azokkal sem érhető el az optikai hullámhosszakon megszokott szögfelbontás. A felbontást interferometriával lehet fokozni, amelynek során két vagy több, egymástól tetszőleges távolságban elhelyezett rádióteleszkóp jeleit egyesítik, ügyelve az egyes teleszkópok által felfogott sugárzás eredeti fázisviszonyainak megőrzésére.

Az interferometriával elérhető szögfelbontást a hullámhossz mellett az szabja meg, hogy mekkora a legnagyobb távolság a rendszerbe kapcsolt rádióteleszkópok között. Már az interkontinentális rádiócsillagászati interferometriának is több évtizedre visszanyúló története van, és az ezredforduló előtt olyan hosszú bázisvonalú interferometriát is sikerült megvalósítani, amelynél az egyik antenna (rádiótávcső) a Föld körül kering. Akkor a rádiócsillagászati szögfelbontás átmenetileg meg is előzte az optikai csillagászatét.

A rádióteleszkópok nem feltétlenül parabolaantennák, téglalap alakú gyűjtőfelület ugyanúgy előfordul, mint kerek. Az óriási antennák sugárzásvisszaverő felülete viszont nem tömör, ellentétben az optikai távcsövek tükrével. A vizsgálandó rádiósugárzás hullámhosszától függően ritka vagy sűrű szövésű drótháló is alkalmas a sugárzás visszaverésére, ez mind a rádióteleszkópok mozgó részének össztömege, mind széllel szembeni viselkedése szempontjából kedvező.

A rádióhullámok detektálásakor ugyanakkor kedvezőtlen, hogy a tulajdonképpeni vevőantennaként szolgáló rádióteleszkóp nem egyetlen irányból gyűjti a jeleket, hanem - kisebb mértékben ugyan, de - érzékeny az oldalról érkező sugárzásra is. Ameddig nem sikerül elérni, hogy a rádióteleszkópok iránykarakterisztikája tűhegyes legyen (a gyűjtőfelület optikai tengelyének irányában), addig a földi civilizáció a rádiócsillagászat ellenfele marad. Az ember által használt technikai eszközök ugyanis erősen zavarják a kozmikus rádiójelek vételét. Nem a műsorszóró adók rádiósugárzása a zavarforrás, mert azok frekvenciája kívül esik a csillagászat szempontjából érdekes frekvenciatartományokon. A rádiókészülékek rövid-, közép- és hosszúhullámú sávjain azért lehet nagyon távoli országokból sugárzott adásokat fogni, mert az ionoszféra visszaveri a 15 m-nél nagyobb hullámhosszú rádiósugárzást. Ugyanez történik a kozmoszból érkező, ilyen hullámhosszú sugárzással is, tehát a 15 m-nél nagyobb hullámhosszú rádiósugárzás a földi rádiócsillagászat számára érdektelen. Az URH-jelekkel már nem ez a helyzet, azok csak ott foghatók, ahol a vevőkészülék közvetlenül "látja" az adót, illetve valamelyik átjátszó rádió- vagy tévéantennát. Ezért olyan kicsi az URH-adások vételkörzete.

A műsorszóró és távközlési műholdak által ma már tetszőleges hullámhosszon interkontinentális kapcsolat teremthető, s ez tovább nehezíti a rádiócsillagászat helyzetét. Korábban ugyanis elegendőnek bizonyult, hogy a rádiócsillagászati műszereket dombokkal-hegyekkel körülzárt völgyekbe telepítették, de most már felülről is érkezik földi eredetű sugárzás a rádióteleszkópokba. Az érthető, hogy az optikai csillagászat műszereit miért telepítik magas hegyekre, de mi elől kell a völgyekbe menekülniük a rádiócsillagászoknak? A civilizáció okozta rádiózaj nagy része elől. A háztartási gépek és az ipari elektromos készülékek eredeti funkciójuk mellett rádió-zajforrások is. Mindenki tapasztalhatta már, hogy a tévékészüléke serceg és csíkos a képe, ha a közelben hegesztőkészülék, rosszul árnyékolt mikrosütő vagy öreg porszívó, mixer stb. működik. Pedig ezek névleges működési frekvenciája nem is közös a tévéadásokéval. Az elektromágneses zaj sokszor egészen széles frekvenciatartományban jelentkezik, és ugyancsak fénysebességgel terjed, csak éppen a fény (pl. szikrázó kapcsoló) kivételével közvetlenül nem észlelhető.

A rádiótávcsövekbe érkező kozmikus jelek intenzitása annyira csekély, hogy a vevőelektronikával - nem mindennapi mértékben - olykor billiószorosára kell erősíteni a jelet, hogy az kiértékelhető legyen. Az erősítő azonban a zajt is ugyanilyen mértékben fokozza. Hiába van messze az a készülék, amelynek motorjában a kopott szénkefe minden fordulatnál szikrát kelt, a rádiótávcső e gyenge földi jelet így is nagyságrendekkel erősebbnek érzékeli a kozmikus jelforrásnál.

A tudományos kutatás fontosságára tekintettel a rádiócsillagászoknak bizonyos frekvenciákat sikerült védetté nyilvánítaniuk. E sávokat a Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) egyéb célra nem ítélheti oda. A legfontosabb frekvencia ezek közül az 1421 MHz, vagyis a 21 cm-es hullámhossz, amelyen a csillagközi térben levő hidrogénatomok sugároznak (két spinállapotuk közötti hiperfinom átmenetkor). A Tejútrendszer spirálkarjait is ezen a frekvencián sikerült feltérképezni. A kozmikus rádióvétel céljaira a csillagászok további két tucat frekvenciasávot próbálnak védeni a 13 Mhz és 275 GHz közötti sávban, de az egyre növekvő igény miatt a távközlési és műsorszórási frekvenciák kiosztásakor minden alkalommal meg kell küzdeni a tudományos kutatás érdekének figyelembevételéért.

A kozmikus infravörös sugárzás

A látható fény és a rádiósugárzás közé esik az infravörös (hullámhosszuk 1-300 mikrométer) és a szubmilliméteres (0,3-1 mm) sugarak tartománya. Az ilyen hullámhosszakon a légkör már nem teljesen átlátszó, ezért a csillagászok csak bizonyos "ablakokon" át látnak ki az Univerzumba. Ilyen ablakok vannak az 1-5 mikrométeres tartományban és 10 mikrométer körül. A többi infravörös sugarat a légkörben levő vízmolekulák és szén-dioxid nyeli el, de maguk az ablakok sem teljesen tiszták, mert az adott hullámhosszú sugárzás erőssége a légkör aljára érve alaposan csökken az atmoszféra felső rétegében mérhető intenzitásához képest. A levegő páratartalma viszont a felszíntől felfelé emelkedve gyorsan csökken, ezért az infravörösben észlelő földi távcsöveket is magas hegyekre érdemes telepíteni.

Az infravörös csillagászat nagy földi műszereit többnyire már meglévő obszervatóriumokban állították fel, ezzel megszabadulva az infrastruktúra kiépítésének gondjától. Az óriás optikai távcsövek szomszédságában Chilében, Hawaii-n és a Kanári-szigeteken is működnek az infravörös és szubmilliméteres tartományt vizsgáló teleszkópok.

A hétköznapi életben számos példát találunk arra, hogy az infravörös tartományban a szobahőmérsékletű testek sugárzása dominál. Az éjszakai felderítés és az épületek vagyonvédelme érdekében felszerelt mozgásérzékelő alapja egyaránt az ilyen hullámhosszakra érzékeny kamera. Hasonlóképpen, a házak homlokzatának infravörös sugárzása alapján készített hőtérképből állapítják meg, hogy a rossz szigetelés következtében hol szökik a meleg.

Az égitestek világában az optikaival szomszédos közeli infravörös hullámhosszakon még a csillagok hőmérsékleti sugárzása dominál, de növekvő hullámhosszak felé már az egyre hidegebb tartományok a fő sugárforrások. 100 mikrométeren például a néhány K hőmérsékletű csillagközi por. Ha az optikai tartományban valamerre nem lehet messzire látni a csillagközi fényelnyelés miatt, a színkép infravörös részében az elnyelés hullámhosszfüggése szabad kilátást tesz lehetővé abban az irányban is. Ezeken a hullámhosszakon sikerült a legtöbb információt szerezni a csillagok keletkezéséről, hiszen ez a folyamat a hideg csillagközi anyagban, molekulafelhőkben zajlik.

A csillagászoknak úgy kell vizsgálniuk az égi források infravörös sugárzását, hogy közben maga a távcső és minden, ami vagy aki annak környezetében van, infravörös sugárzást bocsát ki, hiszen átlagos körülmények között ebbe a tartományba esik hőmérsékleti sugárzásuk maximuma. Az egyik legfontosabb teendő, hogy a detektort és környezetét az abszolút nulla fok közelébe kell hűteni. A Föld körül keringő infravörös-obszervatóriumok működési idejét is az szabja meg, hogy mennyi ideig tart ki a hűtőanyag. Bár az eddigiek (közülük a két legfontosabb az IRAS és ISO) hasznos élettartama csak egy-két év volt, nem kétséges, hogy szükség van ilyen űrszondákra, mivel a légkörön kívülről a teljes infravörös tartomány vizsgálható.

A földi mérésekre visszatérve meg kell említeni, hogy a hűtéssel csak a háttérzaj egy része csökkenthető. Bőven marad eltávolíthatatlan zajkomponens, például a légkör hőmérsékleti sugárzása. A levegő a benne kialakuló hőmérséklet-különbségek hatására állandóan mozgásban van, ezért a látóirányba eső levegőoszlop hőmérsékleti rétegződése pillanatonként változik, vagyis a mérendő kozmikus jelhez nem állandó értékű háttér adódik. Talán indokoltabb lenne meg is cserélni, hogy mi mihez adódik, mert a háttér erőssége meghaladja a csillagászati forrástól származó jelét, és a háttér ingadozásának mértéke szabja meg, hogy meddig van értelme a mérésnek. A földi infravörös-méréseknél még a távcső mellett dolgozó csillagász teste is zajforrás. Arra még lehet ügyelni, hogy ő maga keveset mozogjon a mérés közben, sőt, az automatizálás vagy távirányítás megoldásával a személyes jelenlétre sincs szükség, de a levegőben repülő rovarok, bogarak, madarak akkor is mindvégig mozognak. Az ilyen mérésekre ezért is megfelelő hely a magas hegy, néhány ezer méterrel a tengerszint fölött már a madár sem jár...

Szabados László [Magyar Tudomány 2002/8 .]

Az oldal tartalma a Változó Világ Internetportál Tartalomkezelési szabályzatának felel meg, és eszerint használható fel (GFDL-közeli feltételek). 1988-2010