Home ] Sterrenwacht Altair ] Info ] Werkgroep Radioastronomie ] English ]

Wat is radioastronomie ] Wat is een radiotelescoop ] [ Wat zijn radiogolven ] Praktijk ]

Radiostraling ] Ons radiostelsel ]

 

Wat zijn radiogolven


 

 

1. Vergelijking tussen licht- en radiogolven

 

Hier worden de volgende vragen behandeld: wat is een radiogolf en hoe kunnen radiogolven in het heelal ontstaan.

Voor er aan de radiogolven enig uitleg wordt gegeven, worden de lichtgolven wat meer uitgelegd. De mens kan met zijn ogen het optische licht dat objecten uitzenden of weerkaatsen waarnemen, omdat de ogen er op ingesteld zijn om de elektrische golven met zeer korte golflengte op te vangen en te ontcijferen. De golflengte is de afstand van de top van de ene golf tot die van de volgende. De golflengte van zichtbaar licht ligt tussen de 0,0004 en 0,0008 milimeter. Verschillende delen van dit golflengtegebied onderscheiden zich door verschil in kleur. Rood heeft de langste golflengte en naar kortere golflengte in het spectrum gaande, passerren oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet, die in dit rijtje dekortste golflengte heeft. Alle golflengten samen worden ervaren als wit licht. Een object heeft een bepaalde kleur , omdat het object die ene kleur meer terugkaatst dan de andere. Het menselijk oog is in staat om een onderscheid te maken tussen deze verschillende golflengten, of met andere woorden, het oog is in staat om het spectrum van de waargenomen straling te analyseren. Het menselijk oog is ook in staat om licht te scheiden dat uit verschillende richtingen komt. Het kan zelfs voorwerpen onderscheiden die slechts 1 boogminuut  van mekaar staat (één boogminuut is gelijk aan één zestigste van een graad). Door dit onderscheidingsvermogen kan de mens bepaalde details zien van een object. Wetenschappelijk wordt dit ook wel het oplossend vermogen genoemd.

De golflengte van radiogolven kan liggen tussen een millimeter en enige meters. Een radiogolflengte van bijvoorbeeld 50cm is circa 1 miljoen maal groter dan de golflengten van zichtbaar licht. De mens is zich niet bewust van deze straling omdat de mens niet instaat is om zonder hulpmiddelen deze straling waar te nemen. Om deze straling waar te kunnen nemen zijn er specifieke apparaten nodig die deze straling kan opvangen en analyseren, een radio bijvoorbeeld. Hoe groter de golven worden, hoe gevoeliger deze radio zal moeten zijn. Een gewone huis-,tuin- en keukenradio is bestemd om vooraf bepaalde golflengten op te vangen en te vertalen.

Elke soort golf heeft een bepaalde snelheid, frequentie en golflengte die onderling op eenvoudige wijze samenhangen. De afstand van de ene golftop  tot de volgende is de golflengte λ. Het aantal golven dat elke punt per seconde passeert, wordt de frequentie, f, genoemd. Dan is de afstand die de golf per seconde aflegt, fλ. Maar die afstand per seconde is juist de snelheid van de golf, c. De vergelijking c = fλ laat toe om de frequentie te berekenen als we de golflengte kennen en omgekeerd, want de snelheid c is gelijk aan 3 x 10exp8  meter/sec. Radiogolflengten worden gewoonlijk in meters uitgedrukt en frequentie in aantal trillingen per seconde (Hertz, afgekort Hz) of in Megahertz (MHz, dat is 10exp6 trillingen per seconden). Met deze gegeven wordt de vergelijking dan : f = c/λ = 300 000 000 / λ Hz  = 300 / λ MHz

 

2. Electronen

Vooraleer over te gaan naar de soorten radiostralingen, toch eerste even benadrukken dan natuurkunde niets meer is dan beschrijving van een gedrag. Het doel van de wetenschap is zoveel mogelijk verschijnselen te beschrijven door middel van grondbeginselen en wetten. De onderlinge samenhang tussen de grondbeginselen en wetten worden door logisch denken uit waarnemingen afgeleid. Door proeven te doen, worden deze gedragingen verduidelijkt. Uit proeven vernemen we dat er twee soorten electriciteit zijn, een positieve en een negatieve. Als men deze twee samenbrengt, zullen ze mekaar neutraliseren. Positief en negatief geladen deeltjes hebben de eigenschap mekaar aan te trekken en we schrijven die kracht toe aan een electrisch veld. Chemische reacties leren ons dat materie samengesteld is uit elementen en dat de kleinste deeltjes deeltjes atomen zijn die zich tot moleculen kunnen combineren. Atomen bestaan uit negatief gelande electronen, die trouwens zeer licht zijn, en positief geladen ionen. De lichtere electronen kunnen op verschillende manieren uit het atoom gestoten worden, bijvoorbeeld botsingen met snel bewegende deeltjes of door ultraviolet licht. Men zegt dan dat een atoom geļoniseerd is. In geval van waterstof wordt een positief ion een proton genoemd, dit zal later meer tot uiting komen in de waterstofstraling. De massa van het electron is 1/1840 maal dat van een waterstofatoom. Daar electronen zo licht zijn, verandert hun beweging gemakkelijk onder invloed van een electrisch veld. Radiogolven zijn zeer nauw verbonden met de bewegingen van elektronen. Als de beweging van een electron verandert, veroorzaakt de verstoring een radiogolf, juist zoals een in het water geworpen steen een verstoring veroorzaakt die een golfbeweging doet onstaan aan het oppervlak. Als een electron versneld of vertraagd wordt, ondergaat het electrisch veld van het elektron een overeenkomstige verandering en daardoor wordt een elektromagnetische golf opgewekt.Als we het electron met een bepaalde frequentie periodiek op en neer kunnen laten bewegen, dan zullen de radiogolven met een oscillerend veld van die frequentie worden uitgezonden. Zulke golven worden in een radiozender voortgebracht door gebruik te maken van een wisselspanning in de zendantenne, waardoor de electronen in een trillende beweging gedwongen worden met de frequentie van de zender.

Hieronder volgen een aantal soorten straling, maar elders zijn de drie hoofdsoorten uitvoerig besproken

 

a. Thermische straling

 Met gevoelige apparatuur is het mogelijk om uitgezonden straling van vaste stoffen te registreren. In het algemeen zenden vaste stoffen radiogolven uit, ook al zijn ze niet onder spanning gebracht. De verklaring hiervan is de voortdurende trillingstoestand die correspondeert met de warmte-energie van de materie.  Warmte is een vorm van energie die wordt veroorzaakt door de beweging van de samenstellende deeltjes. Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de beweging van deze deeltjes, hoe groter de kans op botsingen. Door een vaste stof te verwarmen, worden de moleculen, die onderling aan mekaar verbonden zijn, gedwongen te trillen. Als gevolg hiervan zijn de ionen en de electronen altijd onderhevig aan kleine verplaatsingen. Dit veroorzaakt de natuurlijke temperatuur van de vaste stof. Deze straling is heel zwak, maar het is waarneembaar in een uitgebreid gebied van golflengten, waaronder de radiogolflengten. De wet van Wien berekent de maximum intensiteit van radiostraling bij verschillende golflengten, λmT = C, waarin C een constante is, ongeveer gelijk aan 0,5 ; λ is gegeven in centimeters en T in graden Kelvin (aantal graden boven het absolute nulpunt). Een voorwerp op kamertemperatuur straalt een temperatuur van 17° Celsius ofwel 290° Kelvin.

 

b. Warmtestraling van een gas 

Radioastronomie houdt zich naast het meten van straling van vaste lichamen ook vooral bezig met het meten van de straling van gasvormige atmosferen van sterren en extra-galactische nevels. Hoe heter het gas is, hoe sneller de deeltjes zich bewegen en hoe krachtiger zij op elkaar zullen botsen. Het gevolg hiervan is dat de moleculen worden afgebroken tot atomen. Als het gas heter wordt, zullen electronen uit de atomen gestoten worden die daardoor overgaan in negatieve electronen en positieve ionen. Deze twee elementen bewegen zich chaotische door mekaar. Als het electron terug in de nabijheid van het ion komt, zullen deze mekaar weer aantrekken. Door deze aantrekkingskracht zal de baan van het electron afgebogen worden. Deze verandering van beweging veroorzaakt een radiogolf. Terwijl het electron van zijn rechtlijnige koers wordt afgebogen, wordt een zeer klein gedeelte van zijn energie in de vorm van radiostraling uitgestraald. Deze straling is thermische radiostraling van het gas. Gas wordt onder andere geļoniseerd door verhitting. Door verhitting van het gas gaan de atomen sneller bewegen en worden derhalve de electronen uit het atoom geslingerd en bllijven enkel de positieve ionen over.

 

c. Golfpolarisatie

Een golf is lineair gepolariseerd als het electrisch veld van de golf parallel is aan de lengte-as van een dipool. Een andere soort polarisatie is de circulaire, waarbij het electron een cirkelvormige baan beschrijft rond een magneetveld. Electrisch geladen deeltjes, afkomstig van de zon, worden in spiralen langs de magnetische lijnen van het aardveld naar de magnetische polen geleid. Zo onstaat Aurora Borealis en Aurora Australis. Het electron doorloopt zijn cirkelvormige baan in een magneetveld met een karakteristieke eigenfrequentie, bekend als de Gyro-frequentie en die is gelijk aan 2,8H in MHz waar H, de sterkte van het magnetische veld is, uitgedrukt in gauss. Dit is de eenheid van magnetische veldsterkte, genoemd naar Gauss, een natuurkundige uit de 19de eeuw die als eerste de wetten van het magnetische vastlegde. 

Gauss, Karl Friedrich (1777-1855)

 

d. Faraday-Rotatie

Veronderstel dat lineair gepolariseerd licht in een verafgelegen melkwegstelsel wordt opgewekt. Op weg naar de waarnemer zal de straling onder andere geļoniseerd gas en magnetische velden tegenkomen. De ontmoeting met electronen en magnetisceh velden zullen tot gevolg hebben dat de richting van het elektrisch veld van de golf, de polarisatierichting, gedraaid wordt. Dit wordt de Faraday-Rotatie genoemd, ontdekt door Michael Faraday. Het lineair gepolariseerd licht brengt een electron in trilling in een richting evenwijdig aan het electrische veld van de golf. Tegelijkertijd probeert het constante magneetveld dat aanwezig is, het electron in een cirkelbaan te laten bewegen. Hierdoor wordt de polarisatie van de golf gedraaid. Met deze techniek is het mogelijk om waardevolle informatie te verkrijgen over de electronendichtheid en de magnetische velden langse de door de golf afgelegde weg.

Michael Faraday (1791 - 1867)

 

e. Het Doppler-effect

De bekenste vorm van het effect is de voorbijrazende trein of ambulance. Bij het naderen van de trein of ambulance worden de geluidsgolven in elkaar gedrukt, waardoor hun golflengte kleiner wordt, de frequentie stijgt en waardoor er derhalve meer golven per seconden bij de waarnemer terechtkomen. Werwijdert de trein of MUG zich, dan worden de golven uitgerokken en wordt de frequentie derhalve lager. Als de snelheid van de golf C bedraagt, wil dat zeggen dat de golven een afstand C in één seconde afleggen. In deze tijd heeft de bron een affstand afgelegd die gelijk is aan V. Dan is de verandering van golflengte per golf V/C. Deze fractionele verandering van de golflengte Δλ/λ  wordt Doppler-verschuiving genoemd. Het Doppler-effect kan goed worden waargenomen worden bij de 21cm-lijn van waterstof. Als waterstof zich naar ons toebeweegt, wordt de golflengte iets minder dan 21cm; beweegt waterstof zich van ons af, dan wordt de golflengte groter. Met behulp van Doppler kan men meer te weten komen over de rotatie van de melkweg.   

Bron : J.S. Hey

 

Home ] Sterrenwacht Altair ] Info ] Werkgroep Radioastronomie ] English ]

Wat is radioastronomie ] Wat is een radiotelescoop ] [ Wat zijn radiogolven ] Praktijk ]

Radiostraling ] Ons radiostelsel ]