Nawigacja

Prehistoria

Trudno okreslić, gdzie w czasie umiejscowić początki radioastronomii. Z pewnością (bo mamy na to opublikowane dowody) pierwsze zamierzone pomiary przeprowadził Jansky na początku lat '30 XX wieku. Aczkolwiek prawdziwie działający odbiornik oraz mapowanie wykonane zostały dopiero przez Rebera tuż po drugiej wojnie światowej. Jednak ich prace nigdy nie doszłyby do skutku, gdyby nie podwaliny, jakie zostały podłożone przez teorie propagacji fali elektromagnetycznej. A nawet wcześniej - potrzebna była teoria spajająca ówczesną wiedzę o elektryczności i magnetyźmie. Wydaje się więc, że odpowiednim momentem na rozpoczęcie historii praojców radioastronomii będą czasy samego Maxwella.

W latach 1860-1870 James Clerk Maxwell wyprowadzał równania, które dziś znane są jako Cztery Prawa Maxwella. Rozwiązując te równania łatwo dojść do wniosku, że oddziaływanie elektromagnetyczne rozchodzi się jako fala płaska prostopadle do siebie drgających pola elektrycznego i pola magnetycznego. Jednak nie tylko światło widzialne reprezentuje powyższe rozwiązanie. Fala elektromagnetyczne może przybierać bowiem dowolną długość. Zaczęto więc snuć domysły o mozliwości odbierania fal radiowych.

Heinrich Hertz eksperymentował z falami radiowymi, których istnienie wynikało z równań Maxwella. W roku 1886 zbudował odbiornik ral radiowych, a w roku 1887 pracował nad nadajnikiem i sposobem transmisji fali. Wreszcie w 1888 roku przeprowadził oficjalnie swój słynny eksperyment, emitując i odbierając tę samą falę elektromagnetyczną. Wtedy też badał takie własności fali, jak natężenie, czy polaryzacja.

Kiedy wieść o eksperymencie Hertza obiegła świat naukowców, część z nich zaczęła poważnie mysleć nad odbieraniem fal radiowych od ciał niebieskiech. Wydaje się, że pierwszym, który zaproponował zbadanie emisji fal radiowych Słońca, był Thomas Alva Edison. Wymieniał on bowiem korespondecję z Lick Observatory, w której znalazły się plany konstrukcji sprawnego odbiornika fal radiowych pochodzących ze Słońca. Nie wiadomo, czy eksperyment doszedł do skutku, jednak wiadomo na pewno, że odbyłby sie on bez żadnych rezultatów. Odbiornik zaproponowany przez Edisona zbierałby fale bardzo długie, a te z kolei są odbijane przez jonosferę.

Kolejną, tym razem juz udokumentowaną próbę zaobserwowania fal radiowych pochodzenia słonecznego, przeprowadzili panowie Wilsing i Scheiner. Wykonali oni urządzenie odbierające (teoretycznie) fale radiowe pochodzenia słonecznego, a cały przebieg doświadczenia opisali. Chociaż nie udało im się nic zaobserwować, to nadal próbowali wysnuwać wnioski ze swojej pracy (niepoprawne zresztą...).

Na dobry pomysł wpadł w 1900 roku Charles Nordman, fancuski student, który opierając się na nie do końca poprawnych wnioskach pracy Wilsinga i Scheinera, postanowił odebrać fale długie pochodzenia Słonecznego eliminując możliwie wpływ atmosfety na owe fale. W celu realizacji swojego eksperymentu udał sie na lodowec na Mont Blanc i tam rozstawiwszy antenę przeprowadzał pomiary. Miał nadzieję odebrać fale radiowe wyemitowane przez Słońce w trakcie erupcji słonecznych. Takie erupcje dochodza do skutku w czasie maksimum aktywności Słońca. Na nieszczęście Nordmana, akurat w czasie przeprowadzania eksperymentu Słońc znajdowało się w minimum aktywności, więc eksperyment nie przyniósł wymiernych korzyści.

Następnym bohaterem prehistorii radioastronomii jest Max Planck. Będąc jeszcze studentem, wpajano mu, by nie zajmował się fizyką, bo podobno wszystko to, co miało być odkryte, juz odkryte zostało. Planck uparcie jednak szukał jakiegoś nierozwiązanego problemu i dzięki swej determinacji napotkał wreszcie zagadnienie dotyczące termicznej emisji promieniowania przez nagrzane ciała. Rozwikłał on problem, nazwany później jako promieniowanie ciała doskonale czarnego. Dopasowując krzywą do wykresu Natężenie-Częstotliwość doszedł do wniosku, że energia serwowana przez falę EM muci byc przekazywana w pakietach (musi być skwantowana) - stąd wzięła się słynna stała Plancka. Znając potrzebne równania, Planck wyliczył ilość energii przypadającą ne spektrum Słońca w zakresie 10-100 cm długości fali. Wynik był deprymujący dla wszystkich eksperymentatorów, albowiem wyliczona ilość energii była zbyt mała, by dało się ją zaobserwować przy użyciu ówczesnych przyrządów. Żmudna praca Plancka spowodowała wieloletni zastój w dziedzinie radiowych obserwacji nieba.

Sir Oliver Lodge miał znaczacy wkład w rozwój wczesnej nauki o falach radiowych. Wynalazł on pierwsze głośniki oraz ulepszył radioodbiorniki. Tuż przed 1900 rokiem przstapił do próby zarejestrowania fal radiowych pochodzenia słonecznego. Jego urządzenie odbierało fale o długości 1 cm, więc takie, które przebijają się przez atmosferę Ziemi. Niestety nie udało mu się zarejestrować sygnału od Słońca. Najprawdopodobniej jego urządzenie było zbyt słabe. Znaczącym może byc też fakt, że pracował w Liverpoolu, gdzie znajdowało się wystarczająco wiele źródeł fal o długości 1 cm, by drogą interferencji przeszkodzić w przeprowadzeniu eksperymentu.

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy pojawiły sie rozważania Plancka, na scenę nauk radiowych wszedł Oliver Heavyside. W 1902 roku przewidział on istnienie w górnych partiach atmosfery zjonizowanej warstwy, która powinna odbijać promieniowanie radiowe. Jego domysły zostały udowodnione dopiero w latach '20 XX wieku. Posługując się jego tokiem rozumowania, warstwa ta powinna odbijać zarówno fale radiowe wysyłane z Ziemi, jak i te, które do niej dochodzą z kosmosu. Odkrycie Heavyside'a wraz z rozważaniami Plancka zniechęciły juz niemal całkowicie eksperymentatorów do prowadzenia obserwacji radiowych Słońca na wiele lat. Część atmosfery, którą przewidział Heavyside została nazwana od jego nazwiska "warstwą Heavyside'a" lub, jak częściej się o niej mówi, jonosferą. Dopiero później odkryto, że jonosfera odbija niemal w całości fale o częstotliwości mniejszej niż 20 MHz, ale jest prawie zupełnie przezroczysta dla fal powyżej częstotliwości 50 MHz.

Osobą, która jest pośrednio winna za doraźny rozwój radioastronomii jest pan Guglielmo Marconi. To on rozbudował radionadajni i radioodbiornik w takim stopniu, by moc przesylac sygnaly na znaczne odległości. W 1901 roku wykonał pierwszą transmisję przez Atlantyk. Przyczynił się tym ro rozwoju radiotelefonii. Tu na scenę wkracza firma Bell Labs, która chcąc udoskonalić rozmowy przez Atlantyk, poszukiwała sposobu na polepszenie jakości odbieranego sygnału.

Najbardziej kontrowersyjną rolę w historii wszelkich nauk radiowych i elektrycznych odegrał jeden z największych umysłów techniki w osobie Nicola Tesli. Tesla, zarówno twórczy, jak i niedoceniany, na własną rękę przeprowadzał liczne eksperymenty i konstruował wynalazki. W maju 1989 roku, na Wystawie Elektryczności w Nowym Yorku, zaprezentował działający pojazd elektryczny sterowany drogą radiową. W tym samym roku rzekomo odebrał fale radiowe pochodzenia pozaziemskiego na częstotliwości około 1610 MHz. Jego odkrycie nie znalazło jednak uznania. Warto zwrócić uwagę, że wszystkie dotychczasowe próby radiowej obserwacji Słońca spaliły na panewce. Tesla miał odbierać sygnały radiowe z samej przestrzeni kosmicznej, a niekoniecznie z samego Słońca. Uznano ten pomysł za niedorzeczny, a każde późniejsze starania Tesli rzadko ciekawiły naukowców.

Prawdziwe początki radioastronomii siegają I poł. XX wieku, kiedy to 1932 roku Czech Karl Jansky zaprezentował wyniki swoich prac w na spotkaniu Międzynarodowej Unii Nauk Radiowych. Jak do tego doszło? Historia odkrywcy jest ciekawa i może zachęcić młode pokolenia studentów da własnej oryginalnej pracy. Karl Janski miał jednak tę przewagę, że jego rodzina znajdowała się blisko nauk radiowych od długiego czasu. Ojciec Karla, Cyril Jansky, profesor i wykładowca nauk radiowych, był w dobrym kontakcie z dr. Karlem Guthem, jednym z najlepszych nauczycieli fizyki swoich czasów. To od jego imienia i nazwiska Pionier Radioastronomii zawdzęcza swoje imiona - Karl Guthe Jansky. Brak Karla Janskiego, dziesięć lat starszy od niego, poszedł w ślady ojca i został wykładowcą nauk radiowych. Najmłodszy z rodziny Janskych, Karl, miał więc nieco uproszczoną sytuację w przypadku zbierania wiadomości z zakresu fizyki i radia. Jansky nigdy nie był typem mola ksiażkowego. Na uniwersytecie Winconsin był członkiem drużyny hokejowej oraz lubił grać w tenis. Wstępując do Bell Labs był mistrzem gry w ping-ponga i dopiero tam rozwinął w pełni swoje zainteresowanie dziedzinami radiowymi. Do Bell Labs Karl Jansky trafił zaraz po otrzymaniu dyplomu licencjackiego z fizyki, częsciowo dzięki wstawiennictwu swego starszego brata, który pracował tam wczesniej. Nie umniejsza to jednak faktu, jakich rzeczy Karl Jansky dokonał w przyszłości. Laboratoria Bella chciały przeprowadzić analizę szumów na częstotliwościach radiowych. Prace te miały zdetermonować źródła zakłóceń pojawiających się telekomunikacji. Do pracy tej został przydzielony własnie Karl Jansky. W 1929 roku Karl Jansky rozpoczął projekt swojej anteny, którą miałbym odbierać sygnały o pewnej konkretnejczęstotliwości. W 1930 zbudował potężną antenę, która odbierać miała fale elektromagnetyczne o częstotliwości 20.5 MHz, tj. o długości około 14.6 metra. Antena, pradziadek radioteleskopu, była formą stelażu z rozłożonymi drutami na całej swej rozciągłości w kształcie prostokątów. Jansky zamontował pod nią kółka tak, by mógł swobodnie ją obracać (kółka pochodziły z samochody, Fortu T). Przez kolejne miesiące wykonywane były obserwacje mające na celu sklasyfikować pochodzenie szumów. Jansky kręcąc powoli anteną zbierał nadchodzący do tejże sygnał, tworząc tym samym funkcję natężenia sygnałów w zależności od połozenia i czasu (które były ze sobą skorelowane, do czego doszedł później). Karl Jansky zdołał zaobserwować odrębne zakłócenia dla wyładowań atmosferycznych bliskich i dalekich oraz dla tajemniczego jednolitego i stałego szumu "z nieba". Tak się złożyło, że swoje pierwsze pomiary Jansky przeprowadzał w zimie. Ów tajemniczy jednolity szum pochodził z kierunku, w którym leżało wtedy... Słońce. Oczywistym wnioskiem więc było, że to Słońce emituje fale radiowe, które Jansky dzięki swemu odbiornikowi może rejestrować. Przeprowadzając jednak dalsze pomiary przez kolejne miesiące zauważył, że Słońce przesunęło się na niebie względem tajemniczego radioźródła. Więc to jednak nie było Słońce... A jak nie Słońce to co? Należało to zbadać. Swoją pracę, Jansky opisał w pracy pt. "Zaburzenia elektryczne najwyraźniej pozaziemskiego pochodzenia". Źródło pozaziemskiego szumu, o którym pisal Karl, poruszało sie po nieboskłonie z okresem 23 godzin i 56 minut, co jest charakterystyczne dla np. gwiazd. Udało sie tez wyznaczyć dość dokładnie położenie owego źródła: Rektescencja 18h, deklinacja -10?. Karl Jansky wystosował twierdzenie, że dziwny szum dobiega z centrum Drogi Mlecznej. Bez zwlekania przeprowadził kolejną serię pomiarów, by sprawdzić, czy zebrane dane pokryją się z danymi zebranymi przed kilku laty. Po zanalizowaniu rezultatów Jansky był zawiedziony. Wyniki nie zgadzały się z przewidywaniami. Eksperyment miał zostac ogłoszony nieudanym, gdy Karl Jansky zauwazył, że wykonywane przez niego poprzednio obserwacje notowane były z uzyciem... czasu letniego. Po wprowadzeniu poprawki wyniki się ze sobą zgadzały i mozna było w pełni potwierdzić jego teorię. Jansky określił moc odbieranego promieniowania, co pozwoliło mu (w jego mniemaniu) wyznaczyć temperaturę jasnościową "punktu na niebie". Nie mając pomysłu o możliwości wpływu innego promieniowania niż termiczne, zastosował wzór Plancka, przez co wyszło mu, że owe źródło powinno mieć temperaturę rzędu milionów stopni. Rzecz jasna jego wyniki nie znalazły uznania wśród opornych naukowców, a tak ważne odkrycie zostało zdyskredytowane. O radioastronomii zapomniano na kolejne lata.

Jednak nie wszyscy porzucili prace Janky'ego. Następcą pioniera radioastronomii miał zostać Grote Reber. Reber urodził się w roku 1911 nieopodal Chicago. Zamiłowaniem do astronomii i do dziedzin radiowych zaraziła go jego matka, która była nauczycielką. W wieku lat 15 Reber skonstruował własny radionadajnik, co umożliwiło mu wkroczenie do grona aktywnych radioamatorów z całego świata. Od tej pory znany był w radiosieci jako W9GFZ. W 1933 roku Reber ukończył Illinois Institute of Technology z tytułem licencjata inzyniera elektryka. Grote Reber był pierwszym, który postanowił obserwować niebo w falach EM innych niżeli widzialne. Wtedy to przestudiował tez prace Jansky'eago. Wykorzystując swoje doświadczenie na arenie radioamatorstwa, zaczął opracowywać plany urządzenia, które miało mu pozwolić na zbieranie sygnałów radiowych dochodzący z kosmosu. Podczas obmyślania prototypów doszedł do wniosku, że będzie potrzebował anteny o kształcie talerza, skupiającą odbity sygnał do odbiornika. Reber poprosił o pomoc w budowie American Bridge Company, jednak w odpowiedzi uzyskał kosztorys na budżet sięgający 7'000 dolarów. Ponieważ była to kwota na którą nie mógł sobie pozwolić, zdecydował się na własnoręczne zbudowanie anteny. Z pomocą dwóch kolegów postawił antenę zbudowaną z ocynkowanej blachy, drewnianych krokwii i o betonowych fundamentach. W lecie 1937 roku, po czterech miesiącach postawiono talerz o średnicy 9 metrów. Około 5,8 metra nad lustrem umieszczony został odbiornik. Reber wydał 1'300 dolarów z własnej kieszeni, by postawic pierwszy na świecie radioteleskop. Radioteleskop w jego własnym ogródku. Aby przybliżyć wielkość kwoty, jaką wydał na budowę można porównać, że nowy samochód kosztował wtedy około 1'000 dolarów. Antena paraboliczna była czymś niespotykanym w owym czasie. Nawiązując do opisów jego pracy, Reber, stawiając antenę na swoim podwórku, szybko wzbudził zainteresowanie sąsiadów. Stawiana przez niego budowla stała się swego rodzaju atrakcją turystyczną, o czym sam wspomina w swoich późniejszych publikacjach. Reber rozpoczął poszukiwania radioźródeł od wysokich częstotliwości. Pierwszy odbiornik, który skonstruował, pracował na częstotoliwości 3,3 GHZ. Po roku prób obserwacji na długości 9 cm Reber nie otrzymał żadnych rezultatów. Zmodyfikował wtedy antenę tak, by móc pracować na częstotliwości 900 MHz (33 cm). Kiedy i ta zmiana nie przyniosła oczekiwanych rezultatów, w nastepnych roku począł badać częstotliwość 160 MHz (187 cm). Dopiero wtedy pierwszy raz coś zaobserwował. W kwietniu 1939 roku usłyszał, jak jego antena odbiera sygnał pochodzący z Drogi Mlecznej.

Warto wspomnieć o warunkach, w jakich pracował Reber. W owym czasie zatruniony był w firmie produkującej radioodbiorniki u Stewarda Warnera. Za dnia pracował w fabryce, a w nocy prowadził skrzętne obserwacje swoim radioteleskopem. Możnaby zapytac, dlaczego nie pracował w dzień, skoro miał tak wązny projekt do wykonania. Jednak powód, dla którego Reber wybrał pracę w nocy jest dość prosty. W nocy nie jeździły tak często samochody, jak to miało miejsce za dnia. Jak się okazało, przejeżdżające samochody były powodem nieznośnych zakłóceń. Liczne piki, jakie Reber odnotowywał, miały swoje źródło w iskrach zapłonowych silników pobliskich samochodów. Rezultat zakłóceń widoczny jest na pracach, które Reber zgłaszał do publikacji. Wzrost szumów był tym większy, im bliżej antena była ziemi. To zaowocowało kolejnymi konkluzjami, jakie Grote Reber wyciągnął ze swojej pracy.

Reber zdał sobie sprawę z tego, że operuje na częstotliwościach blisko 160 razy wyższych niż Jansky. Powinien więc odbierać szum ponad 26'000 razy mocniejszy, co wynik a z prawa Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego. Liczne porażki Rebera okazały się byc jednak przydatne, ponieważ skłoniły go do przemyślenia natury owego promieniowania. Promieniowanie termiczne rzadko wchodziło w rachubę. Rozważania te były później podstawą do takich odkryć, jak promieniowanie synchrotronowe.

Kiedy wreszcie mógł pracować na w pełni działającej antenie i sprawnym odbiorniku, Reber zaczął tworzyć mapę radiową nieba. Na samym początku potwierdził wyniki Jansky'ego. Następnie zaobserwował takie radioźródła, jak: Cygnus, Kasjopea, Canis Maior i Puppis (w gwiazdozbiorze Rufy na półkuli południowej, Puppis A - mgławica planetarna i gwiazda neutronowa). Reber opublikował swoje wstępne wyniki w czasopiśmie Proceedings of the Institute of Radio Engineers (w lutym 1940 roku), a nastepnie starał się o publikację w The Astrophysical Journal, ale nikt nie chciał się podjąć zrecenzowania jego pracy. Ostatecznie prace wydrukowano w czerwcu 1940 roku bez recenzji. Reber kontynuował swoją pracę przez kolejne lata i w roku 1943 odkrył silne promieniowanie radiowe od Słońca. Nie wiedział jednak że już rok wcześniej odkrycie to zostało dokonane przez Brytyjczyka, jednak nie mówiło się o nim z powodu tajemnicy wojskowej. Sprawa wyjaśniła się dopiero po zakończeniu II wojny światowej. Do roku 1944 Reber wykonał pełen skan Drogi Mlecznej, który zamieścił na ponad dwustu mapkach. Odkrył też, że fale radiowe mogą pokowynać obłoki gazowo-pyłowe, które blokują światło widzialne. Był to kolejny krok w kierunku obserwacji radiowej Wszechświata. Ponieważ jednak Reber nie posiadał kontaktów na uniwersytetach, a jego wykształcenie było techniczne, jego prace nie znalazły wielkiego zainteresowania pośród astronomów. Zniechęcony brakiem poparcia ze strony naukowców, Reber po paru latach zdemontował swoją antenę i zaprzestał doraźnych poszukiwań. Powrócił do pasji dopiero w połowie lat 60, kiedy badał fluktuacje jonosfery.

Jak zostało wspomniane wcześniej, w rok przed Reberem pewien Brytyjczyk zaobserwował wpływ Słońca na częstościach radiowych. Mowa o Jamesie Stanleyu Heyu, który od wczesnych lat dzieciństwa interesował się fizyką. Jego wszechstronna natura poprowadziła go przez liczne stypendia za wyniki w nauce oraz trofea sportowe aż na uczelnię wyższą, gdzie zgłębiał tajniki krystalografii oraz promieniowania X. Hey uzyskał w 1931 roku tytuł magistra nauk fizycznych za pracę nad promieniowaniem Roentgenna. Hey nie wiedział jednak, jaką przyszłość zgotuje mu los. Wraz z wybuchem II wojny światowej na wyspach brytyjskich zaistniała pilna potrzeba na rozwój techniki radarowego wykrywania jednostek wroga (w szczególności wrogich samolotów). Hey, po sześciotygodniowym kursie wyrównawczym, został przydzielony do grupy wojskowej zajmującej się powyższym problemem. Wspólnymi siłami, wraz z wojskiem, postawione zostały pierwsze radary zarówno na lądzie, jak i na statkach. Jednak wraz z upływem czasu wzrastały liczne zakłócenia generowane przez coraz to częściej używany sprzęt radiowy oraz przez specjalnie konstruowane zakłócacze. Doszło nawet do tego, że na początku lutego 1942 roku niemieckie okręty wojenne Scharnhorst i Gneisenau przepłynęły kanał LaManche niezauważone. Ministestwo Lotnictwa wzięło na siebie odpowiedzialność za to wydarzenie i poleciło zbudować mobilne laboratoria oraz przenośne radary, a szefem całego przedsięwzięcia mianowano Heya. Już w dwa tygodnie po rozpoczęciu prac, radary rozłożone po całej Wielkiej Brytanii odnotowały zakłócenia nowego typu. Rzecz miała miejsce 27 i 28 lutego 1942 roku. Brytyjskie radary operujące w pasmie 4-8 metrów zostały zalane intensywnym, podobnym do szumu sygnałem, który występował wyłącznie za dnia. Sygnał był najmocniejszy rankiem i pod wieczór, kiedy Słońce było blisko horyzontu. Hey szybko skojarzył źródło sygnału ze Słońcem i wysłał wiadomość do Obserwatorium w Greenwich. W odpowiedzi poinformowano go, że w tym samym czasie zaobserwowano na Słońcu potężne grupy plam i flar. Hey miał świadomość, że były one dowodem na niebywałą aktywność słoneczną oraz związane były z wyrzutem znacznych ilości naładowanych cząsteczek. Nie mógł jednak ogłosić jawnie swojego odkrycia ze względu na tajemnicę wojskową, której podlegała jego praca. O zaistniałych wydarzenia świat nauki dowiedział się dopiero po zakończeniu wojny.