Radyo Astronomi
20. yüzyılın ortalarına kadar astronomlar evreni yalnızca optik teleskopların yardımıyla gözlemleyebiliyorlardı; yani gezegenleri, yıldızları, ışıyan gaz bulutlarını ve gökadaları, ancak bu gök cisimlerinin gönderdiği ışıktan yararlanarak inceleyebiliyorlardı. Ama evrendeki pek çok cisim, görünür ışık dalga boylarının dışında kalan elektromagnetik ışınım dalga boylarında çok daha parlaktır. Radyo dalgaları, kızılötesi ışınım ya da X ışınları yayan yıldızları ve gökadaları “görmek” için özel teleskoplara ve detektörlere gerek vardır. Dünyanın en iyi kızılötesi teleskopları, Hawaii’deki sönmüş Mauna Kea Yanardağı’nın tepesi gibi, hava kirliliğinin olmadığı yüksek dağ zirvelerinde kurulmuştur. X ışını detektörlerinin ise atmosferin dışına, yani uzaya gönderilmesi gerekir. Gök cisimlerinin yaydığı gözle görülemeyen ışınların incelenmesine dayalı en eski ve en gelişkin astronomi dalı radyo astronomidir ve radyo astronomların bulmuş oldukları gök cisimlerinin varlığından bugüne kadar en küçük bir kuşku bile duyulmamıştır.
Evrenin bir radyo teleskoptan görünüşü, optik teleskoplardan yararlanılarak oluşturulan resminden çok farklıdır. Yıldızların, gökadaların ve başka gök cisimlerinin gönderdikleri ışığı optik teleskoplarla doğrudan gözlemleyebiliriz. Radyo astronomlar ise uzaydan gelen radyo dalgalarını saptamaya uğraşırlar ve varlığını saptadıkları bu dalgaların ne anlama geldiğini çözebilmek için bilgisayar gibi karmaşık aygıtlar kullanırlar. Güneş’ten gelen radyo dalgalarının şiddetinin ya da yeğinliğinin, Güneş lekesi çevrimine bağlı olarak değiştiği saptanmıştır. Jüpiter gezegeni de güçlü bir radyo dalgası kaynağıdır. Bu gezegen geniş ve güçlü bir magnetik alanla çevrilidir. Elektrik yüklü parçacıklar bu alandan geçerken radyo dalgaları yayar. Radyo teleskoplar, Güneş sisteminin ötesinden, örneğin Samanyolu Gökadasından ya da bulutsu denen büyük gaz bulutlarından da radyo dalgaları alırlar. Bizim gökadamız olan Samanyolu’nda, pulsar denen ve sık aralıklarla ışınım darbeleri (vurular) salan radyo dalgası kaynakları vardır; Samanyolu’nun ötesindeyse son derece güçlü radyo gökadalar
ve kuvazarlar yer alır. Uzayın derinliklerinde, evrenin doğuş anından artakalmış bir radyo fon ışıması vardır; bu ışıma, “büyük patlama”nın (Big Bang) halen sürmekte olan yankısıdır.
Bu maddede radyo astronomi tarihine kısaca değinildikten sonra radyo astronomların kullandıkları aygıtlar ve gerçekleştirdikleri bazı büyük keşifler üzerinde durulacaktır.
Radyo Astronominin Ortaya Çıkması
1932’de ABD’li elektrik mühendisi Kari Jansky (1905-50), Samanyolu’ndan gelen dalgaları toplayabilen ilk radyoteleskopu yaptı. Bu buluş büyük heyecan uyandırdı; çünkü Jansky, sıradan bir radyo antenini Samanyolu’na doğru yönelttiğinde, radyo alıcısında hafif bir ıslık sesi belirdiğini saptamıştı. 1940’larda İngiliz bilim adamı J. S. Hey, radar sistemlerinde rastlanan garip sinyal karışmalarının aslında Güneş’ten gelen radyo dalgalarından kaynaklandığını fark etti. Aşağı yukarı aynı sıralarda ABD’li amatör astronom Grote Reber (doğumu 1911) ilk gerçek radyo teleskopu
yaptı ve bu aygıtla, Samanyolu’nun merkezinde güçlü bir radyo kaynağının bulunduğunu saptadı. Başlangıçta atılan bu küçük adımlardan günümüzün dev radyo teleskopları doğdu.
Radyo Teleskoplar
Bir radyo teleskopun üç ana bileşeni vardır: Kozmik radyo dalgalarını yansıtan bir tür “ayna” , bu dalgaları toplayan bir detektör ve son derece zayıf sinyalleri güçlendirmeye ve kaydetmeye yarayan bir alıcı. Yansıtıcı "ayna”, özel bir biçimde birbirine bağlanmış bir antenler dizisi ya da kümesi olabileceği gibi, bir metal levha ya da tel örgü de olabilir. Yansıtıcının tek ya da bütün bir parça halinde olması zorunlu değildir; bir tel örgü de radyo dalgalarını çok iyi yansıtır. Eğer 10 santimetreden daha küçük dalga boyları için kullanılmayacaksa, “aynanın” yüzeyinin mutlaka düzgün olması da gerekmez.
Radyo teleskopların optik teleskoplardan çok daha büyük olması gerekir. Bunun en önemli nedeni, radyo dalgalarının dalga boyunun görünür ışık dalga boylarından milyonlarca kez daha uzun olmasıdır; bu nedenle kozmik radyo yayımının ayrıntılı bir haritasını çıkarabilmek için büyük yansıtıcılara ve anten dizilerine gereksinim vardır. Radyo teleskopların büyük olmasının ikinci bir nedeni de, radyo sinyallerinin son derece zayıf olması ve geniş bir toplama yüzeyi olmadığı sürece bunların varlığının saptanamamasıdır. Radyo teleskoplardaki detektör, genellikle ortasına bir bağlantı teli tutturulmuş basit bir çiftkutuplu (dipol) anten ya da çubuktan oluşur. Detektör, çanak biçimindeki
teleskopun odak noktasında yer alır; koruyucu kutusunun içinde, alıcıya gönderilemeyecek kadar zayıf radyo sinyallerini güçlendiren bir yükselteç (amplifikatör) bulunur. Radyo alıcısı karmaşık bir aygıttır ve normal olarak bir bilgisayar sistemine bağlıdır. Teleskopla toplanan bilgi bilgisayarda işlenerek gökyüzünün radyo dalgaları haritası çıkarılır. Alıcı sistemde ayrıca, dar bir dalga boyu dağılım aralığındaki radyo sinyallerinin şiddetini kaydedebilen bir radyo spektrometresi bulunur. Bu özel teknik, yaydıkları özgün radyo sinyallerinin incelenmesiyle Samanyolu’ndaki gaz bulutlarını oluşturan atom ve moleküllerin belirlenmesinde kullanılır.
Dünyanın tek çanaklı en büyük radyo teleskopu, ABD’ye bağlı Porto Riko’daki Arecibo’da
kuruludur. Burada mühendisler doğal bir krateri tel örgüyle kaplayarak 300 metre çapında bir radyo teleskop yapmışlardır. Bu teleskop gökyüzündeki belirli bir noktaya yöneltilememektedir, ama gözlemciler bunun yerine çift kutuplu anteni, yani detektörü hareket ettirebilmektedirler. Buna ek olarak astronomlar Dünya’nın kendi ekseni çevresindeki dönme hareketinden yararlanarak günün
değişik saatlerinde gökyüzünün değişik kesimlerini gözlemleyebilmektedirler. Yönlendirilebilir türden bir teleskop elbette Arecibo’daki gibi sabit bir teleskoptan daha verimlidir; örneğin, Almanya Federal Cumhuriyeti’nde Bonn yakınlarındaki Effelsberg’te bu tür bir radyo teleskop vardır. Effelsberg teleskopunun çanağının çapı 100 metredir ve bu özelliğiyle dünyanın yönlendirilebilir tek çanaklı en büyük radyo teleskopudur. 1957’de İngiltere’deki Cheshire’da kurulan 76,2 metre çapındaki paraboloit çanaklı Jodrell Bank teleskopu ile Yeni Güney Galler’deki (Avustralya) Parkes ve California’daki (ABD) Goldstone teleskopları da bu türdendir. Bu tek çanaklı radyo teleskopların dev boyutlarda olması yapım ve bakımlarını çok pahalı hale getirmekte, yapımları yıllarca sürmektedir. Bu nedenlerle, radyo astronomlar değişik tipte bir teleskop geliştirmişlerdir; bu tip bir teleskopta, çok büyük tek bir çanak yerine, aynı etkiyi elde edebilen ve elektronik olarak birbirine bağlanmış çok sayıda küçük çanak vardır.
İki ya da daha çok sayıda çanağı birbirine bağlayarak ve böylece girişimölçer ya da interferometre denen bir aygıt düzeni oluşturarak, çok büyük çaplı teleskopların sahip olduğu bazı özellikler, özellikle de radyo dalgası kaynağındaki ince ayrıntıları “görme” yeteneği elde edilebilmektedir. Bu tür bir teleskopla araştırma yapılırken birbiriyle bağlantılı çanaklar dizisindeki her çanak aynı radyo dalgası kaynağına yöneltilir. Dünya’nın kendi ekseni çevresindeki dönme hareketi de bu çanaklar dizisinin gökyüzünün değişik kesimlerini tarayacak biçimde dönmesini sağlar. Aynı gök cisminin günlerce gözlenmesiyle elde edilen radyo sinyallerinin bilgisayar çözümlemeleri, daha sonra dev bir optik teleskopla yapılmış gözlemlerin sonuçlarına benzer biçimde ortaya konabilir.
4,6 km uzunluğunda bu tip bir teleskop, İngiltere’de Cambridge’deki eski bir demiryolunun üzerinde kuruludur. Hollanda ve Avustralya’da da buna benzer teleskoplar vardır.
Dünyanın en büyük girişim ölçerli radyo teleskopu 1979’da ABD’de, New Mexico’daki Socorro’da kurulmuştur. Bu girişimölçer 27 antenden oluşmaktadır ve antenlerin her biri, “Y” biçiminde döşenmiş rayların üzerinde hareket ettirilmektedir; “Y”nin her bir kolu 20 km uzunluğundadır. Bu radyo teleskop, çok küçük radyo dalgası kaynaklarını, en iyi tür optik teleskopların duyarlılık düzeyinde ortaya çıkarabilmektedir.
Birbirinden çok uzaktaki ülkelerde bulunan radyo teleskoplar arasında elektronik bağlantı sağlanabilir. Bu tür bir sistemle, uzayın derinliklerindeki radyo dalgası kaynaklarının yapısı ve ayrıntıları, optik teleskoplarla gerçekleştirilemeyen bir incelikle belirlenebilir.
Radyo Dalgası Kaynakları
Evrenin radyo dalgaları aracılığıyla saptanan görünümünün bir bütün olarak gözler önüne serilmesiyle, şaşırtıcı özelliklere sahip bazı gök cisimlerinin varlığı da ortaya çıkmıştır. Aşağıda bu gök cisimlerinden bazıları üzerinde biraz daha ayrıntılı olarak durulacaktır.
Pulsar ya da atarcayıldız denen gök cisimleri, çok yüksek hızlarda dönen çok küçük, ama çok yoğun nötron yıldızlarıdır. (Pulsar adı, “Radyo Darbeli Yıldız” anlamına gelen İngilizce Pulsating Radio Star sözcüklerinin kısaltılmasıyla oluşturulmuştur.) Pulsarların varlığını ilk olarak 1968’de İngiltere’de Cambridge’teki radyo astronomlar belirledi. Bu pulsarların radyo dalgası yayımları son derece düzenli aralıklarla gerçekleşen darbeler ya da zonklamalar biçimindeydi ve iki darbe arasında geçen süre bir saniye kadar ya da bundan daha kısaydı. Bilim adamları bir süre bu sinyal darbelerinin bazı sinyal karışmalarından kaynaklanıyor olabileceğini düşündüler, ama kısa bir süre sonra bunların gerçekten Güneş sisteminin çok ötesinde yer alan nötron yıldızlarından kaynaklandığını anladılar.
Bugün yüzlerce pulsar belirlenmiştir. Bunlardan bazılarının gönderdiği sinyaller çok sık aralıklıdır; örneğin, Yengeç bulutsusunda yer alan bir pulsardan saniyede 30 sinyal, 1982’de Tilkicik takım yıldızında saptanan bir başkasından ise saniyede 642 sinyal alınmaktadır. Pulsarların düzenli ışınım çakmaları üretmelerinin nedenleri ve bu gök cisimlerine ilişkin bazı başka bilgiler YILDIZ maddesinde verilmiştir.
Süpernova Kalıntıları. Süpernova patlamaları (bazı kütlesel yıldızların ömürlerinin sonuna geldiklerinde gerçekleşen dev patlama) sonucunda uzaya saçılan gazın kendisi de radyo teleskoplarla saptanabilen bir radyo dalgası kaynağı olabilir. Bu tür radyo dalgası kaynaklarının en güçlülerinden biri Boğa takım yıldızındaki Yengeç bulutsusudur. Bu ışıltılı bulut 1054’te patlayan bir yıldızın kalıntılarıdır. Bazı süpernova kalıntılarını optik teleskoplarla görmek hemen hemen olanaksızdır; ama bunların varlıkları gönderdikleri radyo dalgaları aracılığıyla çok belirgin bir biçimde saptanabilir.
Radyo gökadalar. 1951, yeni bir bilim dalı olan radyo astronomi için dönüm noktasıdır. O yıl, en güçlü radyo dalgası kaynaklarından birinin 500 milyon ışık yılı uzaklıktaki bir gökada olduğu saptandı. Bu uzaklık o zamanlar için akıl almaz bir şeydi. Astronomlara göre, Kuğu A adı verilen bu gök cisminin gönderdiği dalgaların bu kadar uzaktan alınabilmesi için son derece güçlü bir biçimde üretiliyor olması gerekirdi. Gerçekten de Kuğu A ’dan kaynaklanan ışınım bizim gökadamızdan
yayılan dalgalardan yaklaşık 1 milyon kez daha güçlüdür. Günümüzde bu gökadaya benzeyen yüzlerce gökada saptanmıştır ve bunlara radyogökada denir.
Radyo dalgaları, gökadaları çevreleyen magnetik alanların içinden geçerken hızlanarak ışık hızına yaklaşan elektronlarca üretilir. Bu tür radyo dalgası yayımına senkrotron ışıması denir. Bazı radyo dalgası kaynakları çifttir, bazılarının ışınımları bir püskürme biçimindedir; ama daha da ilginci, bazılarının evrende hareket ederken bir “dümen izi” bırakıyormuşçasına uzun ışınım kuyruklarının
bulunmasıdır. Bu enerjik ve uzak gökadalar konusundaki araştırmalar çok daha ilgi çekici gök cisimlerinin, yani kuvazarların keşfine yol açmıştır.
Kuvazarlar. 1963’te keşfedilmiş olan kuvazarlar yıldızımsı gök cisimleridir ve bunların tayfındaki kırmızıya kayma çok büyüktür. (Kuvazar adı, “Yarı Yıldızımsı Astronomi Radyo Dalgası Kaynağı” anlamına gelen İngilizce Quasi Stellar Astrorıomical Radiosource sözcüklerinden türetilmiştir.) Herhangi bir gök cisminin tayfındaki kırmızıya kayma ne kadar büyükse, bu durum o cismin uzaklığının da o ölçüde büyük olduğu anlamına gelir; işte bu yüzden kuvazarları son derece uzaktaki cisimler olarak düşünmek gerekir. Bunlar belki de Güneş sistemi büyüklüğündedir ve normal bir gökadanın yaydığından 1.000 kat daha çok enerji (ışık ve radyo dalgaları) yayarlar. Radyo gökadaların ve kuvazarların merkezlerinde son derece kütlesel kara deliklerin bulunması olasıdır.
Evrenin Doğası
Radyo astronomi evren konusundaki bilgilerimize iki büyük katkıda bulunmuştur. Birincisi, radyo gökadalara ve kuvazarlara ilişkindir. Radyo astronomlarca yürütülen araştırmalar, radyo gökadaların bir zamanlar bugünkünden daha çok olduğunu ortaya koymaktadır; çünkü bize daha yakın olanlardan çok daha fazlası çok uzaklardadır (ve dolayısıyla da çok daha eski zamanlara aittir). Bu durum, bir zamanlar bazı astronomlarca çok tutulan ve evrenin temel görünümünün hiçbir zaman değişmediğini ileri süren “durağan hal” kuramının yanlış olduğunu gösterir.
İkinci büyük katkı, 1965’te mikrodalga fon ışımasının keşfedilmesidir. Birçok kuramcı bunun son yarım yüzyıl içinde astronomideki en önemli bulgu olduğu görüşündedir. Belirli hiçbir kaynağa bağlı değilmiş gibi gözüken bu şaşılacak derecede kuvvetli ışınımın varlığını ABD’deki radyoastronomlar saptadılar. Dünya’ya kadar ulaşan bu ışınım gökyüzünün bütün kesimlerinde aynı şiddetteydi. Astronomların pek çoğu bu ışınımın evrenin çok erken bir evresinden artakaldığı düşüncesindedir. Hatta bu ışınım onlara göre evrenin genişlemesini başlatan ateş topunun kalıntıları da olabilir.
