Du ved, hvad en radio er, men ved du også, hvad radioastronomi er?
Radioastronomi er en forholdsvis ung gren af astronomien, der beskæftiger sig med radiobølger og radiostråling.
Radioastronomien revolutionerede den astronomiske videnskab i en sådan grad, at astronomer i dag knap nok kan forestille sig en astronomi uden radiobølger.
Kom med på rejse gennem radioastronomiens historie, som blev grundlagt af passionerede entusiaster og har banet vejen for verdens første billede af et sort hul, som blev offentliggjort sidste år - det skrev Videnskab.dk om i artiklen Første billede af et sort hul nogensinde: »Ligner en ring af ild«.
Men det hele startede for næsten 150 år siden, da en skotte fik mistanke om, at der fandtes andre stråler i universet end dem, han kunne se med det blotte øje.
\ Serie: De skabte astronomien
Det har taget århundreder med store opdagelser at skabe det astronomiske verdensbillede, vi kender i dag.
I artikelserien ’De skabte astronomien’ vil Videnskab.dk's faste rumeksperter fortælle den mere personlige historie om et udvalg af astronomer og de opdagelser og teorier, de bragte ind i den astronomiske verden.
Her kan du få det fulde overblik over, hvilke astronomer serien kommer til at handle om.
Fire matematiske ligninger lagde kimen til radioastronomi
Et af de største gennembrud i 1800-tallets fysik var de fire ligninger, den skotske fysiker James Clerk Maxwell formulerede i 1873.
De beskrev sammenhængen mellem elektricitet og magnetisme, og de viste, at det synlige lys kun er en meget lille del af den stråling, som kommer til os fra universet.
Udover det synlige lys kender vi i dag denne stråling under navne som radiostråling, gammastråling, røntgenstråling, infrarød og ultraviolet stråling.
Fælles er dog, at man ikke kan se denne stråling, så derfor var det ikke noget, som dengang interesserede astronomerne. De havde jo hidtil klaret sig fint ved at observere universet i synligt lys gennem store teleskoper.
Radiobølger kan trænge igennem Jordens atmosfære
Først mere end 10 år efter Maxwells teori lykkedes det den tyske fysiker Heinrich Hertz (1857-1894) at vise, at radiobølger eksisterer.
Det gjorde han ved at bygge en sender og en modtager for radiobølgerne.
Som vi ved, blev radio hurtigt taget i brug rundt omkring på Jorden, men den astronomiske tradition for optisk astronomi var så stærk, at det ikke blev astronomer, der kom til at foretage de første radioastronomiske målinger i 1930'erne.
I dag observeres himlen i stort set alle områder af spektret - lige fra radiostråling og mikrobølger over det synlige lys til røntgen- og gammastråling.
Men radioteleskoperne har den store fordel, at radiobølger kan trænge igennem Jordens atmosfære, og at vi derfor kan opføre teleskoperne her på Jorden.
Hvis man vil observere for eksempel røntgen eller ultraviolet stråling, må man opsende astronomiske satellitter.
Radioteleskoperne er i dag et vigtigt fundament i den astronomiske udforskning af rummet. Senest var det som nævnt en række radioteleskoper verden over, der leverede observationerne til det berømte første billede af et sort hul.
Men lad os se nærmere på, hvordan pionererne tog de første skridt.
\ Læs mere
Heinrich Hertz var den første, der frembagte radiobølger
Heinrich Hertz var blevet optaget af Maxwells arbejde indenfor elektromagnetismen.
Maxwells ligninger fortalte, at lys og al anden stråling er et resultat af vekselvirkning mellem elektriske og magnetiske felter.
Dette princip ligger bag betegnelsen ’Det elektromagnetiske spektrum’, der dækker over stråling af alle mulige bølgelængder - lige fra de kilometerlange bølgelængder, som svarer til radiostråling, og til de ultrakorte bølger, vi modtager fra røntgen og gammastråling.
Men Maxwells ligninger fra 1873 var rent teoretiske, og nu satte Heinrich Hertz sig for at vise, at man i virkelighedens verden kunne frembringe disse bølger.
Hertz udviklede en lille elektrisk svingningskreds, en sender, der skulle skabe bølgerne, samt en modtager i form af en lille dipolantenne.
Hermed lykkedes det Hertz i 1880'erne at producere de første radiobølger i historien.
Hertz forstod ikke selv vigtigheden af sin opfindelse
Pudsigt nok troede Hertz ikke selv på, at hans opfindelse ville få stor betydning, idet han sagde:
»De er overhovedet ikke til nogen nytte[…] dette er blot et eksperiment, der bekræfter, at Maestro Maxwell havde ret – vi har bare disse mystiske elektromagnetiske bølger, som ikke kan ses med det blotte øje. Men de er der.«
Denne udtalelse fra Hertz om opdagelsen af radiobølgerne må siges at være lidt af en underdrivelse, når man tænker på følgerne – radioens udbredelse og i vores sammenhæng grundlaget for radioastronomien.
Det er naturligvis også Hertz, der har lagt navn til enheden for frekvensmåling Hz.
Det første radioteleskop lignede en karrusel
I 1928 blev den unge fysiker og radioingeniør Karl Jansky (1905 -1950) ansat på Bell Telephone-laboratorierne i New Jersey, USA.
Netop på den tid var man på Bell ivrigt optaget af udviklingen og nedlægningen af de første transatlantiske kabler.
Der var dog i starten store problemer med sendestyrken, fordi en vedvarende statisk støj på linjen kom i vejen, og ingen på Bell kunne finde en løsning på problemet. Man bad derfor Karl Jansky om at finde årsagen til den uønskede interferens.
For at løse opgaven byggede Jansky nu en stor roterende radioantenne, der hurtigt fik navnet 'Jansky’s merry-go-round' – Janskys karrusel på dansk – efter dens noget specielle udseende.
Antennen, der var 30 meter i diameter og 6 meter høj, var monteret på en drejebænk forsynet med fire store Ford Model T bildæk.
På denne måde kunne den drejes hele vejen rundt og modtage radiobølger fra alle ønskede retninger på himlen. Et lille skur ved siden af antennen indeholdt et ophæng med en rulle papir og en pen, som undervejs optegnede målingerne.
Antennen kunne opfange radiobølger ved en frekvens på 20.5 MHz, og fordi den kunne drejes hele vejen rundt, var antennen i stand til at bestemme retningen på de signaler, den modtog.
Støj fra Mælkevejen fødte radioastronomien
Efter nogle måneders observationer var Jansky i stand til at opdele radiostøjen i tre typer:
- De første to typer stammede fra nærliggende og fjerne tordenbyger.
- Den tredje type var mere speciel. Jansky opdagede, at signalerne fulgte døgnets rytme og fortrinsvis kom fra bestemte områder på himlen.
Efter omhyggelige målinger kunne Jansky fastslå, at hovedparten af strålingen kom fra den del af himlen, hvor man ser stjernebilledet Sagittarius (Skytten), og det er netop den retning, hvor Mælkevejens centrum befinder sig.
Radioastronomien var født!
Janskys opdagelse blev hurtigt kendt vidt omkring, og han skrev selv en artikel i New York Times i maj 1933, med titlen ’Elektriske forstyrrelser tilsyneladende af extraterrestrial oprindelse’.
Jansky havde gerne forsat sine observationer af radiostøjen fra Mælkevejen, men det fik han ikke lejlighed til. Opdagelsen var nemlig tilsyneladende ikke noget, der optog tidens astronomer, for hvem radiostrålingen endnu var et fremmed fænomen.
Heller ikke Bell Laboratories kunne finde midler til at lade Jansky fortsætte studierne. Dels er vi i tiden under den store depression, og dels havde Bell rigeligt at gøre med at forbedre den transatlantiske kommunikation.
Jansky fik ikke noget langt liv. Han døde af en hjertefejl i 1950, kun 44 år gammel. Men selv om han aldrig fik lejlighed til at følge op på sine opdagelser, så har han alligevel sat sig nogle markante spor.
Der er i dag opført en model i fuld størrelse af Janskys karrusel på det berømte Green Bank Observatorium i West Virginia.
Jansky har også fået et krater på Månen samt en asteroide opkaldt efter sig, ligesom han har lagt navn til enheden Jansky, der måler styrken af radiostråling fra en kilde.
\ Læs mere
Amatørastronom byggede radioantenne i egen baghave
Janskys opdagelse havde dog inspireret amatørastronom og radioingeniør Grote Reber (1911-2002) til at fortsætte, hvor Jansky slap.
Reber stillede sig selv mange spørgsmål: Var der mon andre himmellegemer end Mælkevejen, der udsendte radiobølger? Og hvad var det, der producerede radiostrålingen?
Reber kunne heller ikke få nogen ansættelse, så han forsøgte at komme videre for egne beskedne midler fra sin baggård så at sige.
I 1937 havde han konstrueret en parabolmodtager, der året senere opfyldte hans forventninger. Han observerede radiostråling fra Mælkevejen, men også fra andre kilder på himlen, og på grundlag af sine data kunne han nu tegne nogle kort, der viste disse radioområder.
Den stærkeste stråling kom stadig fra Mælkevejen, men Reber opdagede yderligere et par radiokilder fra stjernebillederne Cassiopeia og Svanen (Cygnus).
I løbet af årene 1938- 1943 gav Reber sig til at undersøge større områder af himlen for radiostråling, ligesom han skrev flere artikler om sine resultater til forskellige videnskabelige tidsskrifter som Sky and Telescope.
Selv om Reber aldrig fik en officiel ansættelse i videnskabens verden, var han på sin egen måde med til at grundlægge radioastronomien og inspirere den næste generation af astronomer til at tage fat på dette nye område.
Gør-det-selv-teleskopet kom på museum
Meget generøst, så donerede Grote Reber sit hjemmebyggede radioteleskop til Green Bank Observatoriet i West Virginia, hvor det nu er opført som et historisk monument sammen med rekonstruktionen af Janskys karrusel.
Reber besøgte ofte i sine senere år Green Bank og fulgte med i opsætningen af de historiske teleskoper.
I 1972, da USA fejrede nationens 200 års fødselsdagsfest, havde man for sjov skyld malet Rebers teleskop i røde, hvide og blå farver efter det amerikanske flag.
Det er bemærkelsesværdigt, at ingen af de to, der grundlagde radioastronomien, opnåede ansættelse indenfor forskningsverdenen. Karl Jansky var kun ansat kortvarigt hos Bell-telefonselskabet, og Grote Reber måtte observere om natten, fordi han om dagen var nødt til at arbejde på fuld tid for et radioselskab.
Men samtidig begyndte astronomer verden over at få øje på de muligheder, der lå i radioobservationerne. Og mange steder blev der nu opført større og bedre antenneanlæg til at observere universet.
Radioteleskoperne var kommet for at blive.
Udviklingen blev udfordret af 2. Verdenskrig
Den store hollandske astronom Jan Oort (1900-1992) var den første her i Europa, der så de betydelige muligheder, som radioteleskoperne kunne tilføre astronomien.
Han var inspireret af Karl Jansky og Grote Reber og deres første forsøg på at opfange radiobølger fra rummet - og især Mælkevejen.
Og Oort indså den store fordel ved at observere universet i radiobølgeområdet. Radiobølger trænger nemlig gennem atmosfæren - også i dårligt vejr med regn og skyer, som det jo ofte er her i Europa.
Men det var krigstid i 1944, og Holland var besat af tyskerne, så Oort måtte udsætte sine planer om at opføre radioteleskoper.
I stedet gav han en af sine studenter Hendrik van de Hulst (1918-2000) til opgave at beregne, hvilke bølgelængder i radioområdet der kunne anbefales at observere.
Van de Hulst benyttede den helt nyudviklede kvantemekanik på brint, der er det simpleste atom med blot en proton omgivet af en enkelt elektron. Han kom frem til, at der udsendes en naturlig stråling fra neutral brint ved 21 cm. Og da brint jo er det hyppigste grundstof i universet, og dermed i Mælkevejen, var det et godt sted at begynde.
Oort kortlagde Mælkevejen
Efter krigen gik Oort og van de Hulst så i gang med at observere denne teoretisk beregnede radiostråling.
Det skete fra de nyopførte radioteleskoper i Holland som Westerbork og Dwingeloo i det nordøstlige Holland. Herfra kunne de for første gang lytte til støjen fra Mælkevejens skyer af brint.
Allerede i 1953 kunne Oort præsentere de første kort over mælkevejen. De viste, at brintskyerne danner en tydelig spiralstruktur. Det var et af de første sikre tegn på, at Mælkevejen er, hvad vi i dag kalder en spiralgalakse.
Oort indførte radioastronomien her i Europa, og takket være ham blev Holland i årene efter krigen en førende nation på området, rigt udstyret med radioteleskoper.
Det var en god satsning i et land som Holland, hvor vejret ofte driller. Det gælder jo egentlig også Danmark, men vi valgte en anden vej frem.
Brorfelde Observatoriet i Danmark
I Danmark blev Brorfelde Observatoriet indviet i 1953, men her satsede man på optiske teleskoper.
Det var på længere sigt ikke nogen god ide. Her i Danmark har vi kun omkring 30 klare nætter om året til gode observationer, hvor man til sammenligning har omkring 300 klare nætter i Chiles højland.
Det erfarede artiklens skribenter selv under vores studietid i Brorfelde sidst i 1960'erne. Det var simpelthen rigtig svært at samle nætter nok til observationer til vores specialer.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
Det endte da også med, at nogle af Brorfeldes kikkerter flyttede til udlandet, og Brorfelde ophørte gradvist som observatorium under Københavns universitet.
I dag bruges bygningerne i det bakkede landskab som et naturcenter. Kuplerne er bevarede, og man stadig kan opleve stjernehimlen fra en kikkert.
Radioastronomi i dag
I dag er radioteleskoperne en helt uundværlig del af den astronomiske verden.
Skal man nævne et enkelt af de utallige radioanlæg verden over, kunne det være det internationale ALMA-teleskop i Chile, som Europa har del i gennem ESO, det europæiske samarbejde om observationer, som også Danmark deltager i.
ALMA står for Atacama Large Millimeter/submillimeter Array.
Et af de nyeste billeder fra ALMA af et kolliderende stjernepar viser meget godt, hvordan man i dag formidler nyheder fra radioteleskopernes verden. Nu er observationer udenfor det synlige spektrum farvelagt, så forskellige bølgelængdeområder får hver deres livlige farve.
Der er langt tilbage til Janskys tegnepen, der fulgte radiostrålingen.
Brugte 10 år på ét billede
Senest husker vi den store præstation, da komplekset EHT ’Event Horizon Telescope’ med otte radioteleskoper fordelt over hele jordkloden samarbejdede om at levere os det første billede af et sort hul i galaksen M87.
Det havde taget 10 år og en samlet indsats fra 346 astronomer og datateknikere under ledelse af Harvard-astronomen Shep Doeleman at levere det berømte billede.
For dette arbejde blev de belønnet med den såkaldte Breakthrough Prize på 3 milioner dollars til deling mellem hele forskerholdet.
Historien om radioastronomiens tilblivelse er et godt eksempel på, hvordan forskning i dag altid foregår ved et samarbejde mellem større eller mindre grupper af forskere.
De enlige pionerer, som astronomiens historie er så rig på, findes ikke mere.
\ Læs om de øvrige pionerer i serien 'De skabte astronomien'
Denne artikel er del af en serie om astronomiens pioner. Nedenfor finder du links til samtlige artikler i serien.
- Percival Lowell så 'kanaler' på Mars og forestillede sig en døende civilisation
- Big Bang-teorien blev skabt af katolsk præst
- Kvinderne fra 'Pickerings Harem' træder ud af anonymiteten
- Fraunhofer, Kirchhoff og Bunsen indførte spektrene i astronomien
- Jansky skulle fikse telefonforbindelsen - og opdagede usynlige stråler fra verdensrummet
- Margaret og Geoffrey Burbidge – et ægtepar i astronomiens historie
- Fred Hoyle: Mød excentrikeren, der navngav Big Bang, selvom han ikke brød sig om teorien
- Sådan ændrede to indere moderne astronomi
- Cecilia Payne-Gaposchkin leverede et af astronomiens største gennembrud - i en mandsdomineret verden
