Bagaimanakah Gelombang Radio Mendedahkan Gas Hidrogen di Bima Sakti?

Apabila kita memandang langit malam, kebanyakan objek yang kelihatan ialah bintang. Namun, ruang antara bintang bukanlah kawasan yang kosong sepenuhnya. Di situ terdapat gas dan debu yang membentuk medium antara bintang. Hidrogen ialah unsur paling banyak dalam medium tersebut, dan sebahagiannya wujud sebagai atom neutral yang menghasilkan sinaran radio pada panjang gelombang sekitar 21 sentimeter.

Sinaran ini, yang dikenali sebagai garis hidrogen 21 sentimeter, membolehkan ahli astronomi mengkaji gas yang tersembunyi di sebalik kawasan berdebu dalam galaksi kita.

Mengapakah atom hidrogen menghasilkan gelombang radio?

Atom hidrogen neutral yang paling ringkas mempunyai satu proton dalam nukleus dan satu elektron. Proton dan elektron mempunyai sifat kuantum yang dinamakan spin. Sifat ini berkait dengan momentum sudut intrinsik zarah, tetapi tidak bermaksud zarah tersebut benar-benar berputar seperti bola kecil. Interaksi magnet antara proton dengan elektron menghasilkan dua aras tenaga yang sangat hampir dalam keadaan asas atom hidrogen.

Apabila atom mengalami peralihan daripada aras tenaga yang lebih tinggi kepada aras yang lebih rendah, atom itu boleh membebaskan tenaga dalam bentuk foton. Bagi peralihan tertentu ini, foton yang dihasilkan mempunyai frekuensi sekitar 1,420.4 megahertz, bersamaan panjang gelombang kira-kira 21.1 sentimeter. Peralihan tersebut sangat jarang berlaku bagi satu atom secara individu. Namun, ruang antara bintang mengandungi jumlah atom hidrogen yang amat besar, maka gabungan sinaran daripada banyak atom dapat menghasilkan isyarat radio yang boleh dikesan oleh teleskop.

Mengapakah teleskop radio dapat melihat gas di sebalik debu?

Debu antara bintang boleh menyerap dan menyerakkan cahaya tampak, lalu sesetengah kawasan Bima Sakti sukar diperhatikan menggunakan teleskop optik. Gelombang radio dengan panjang gelombang 21 sentimeter pula kurang dipengaruhi oleh debu antara bintang berbanding cahaya tampak. Oleh itu, sinaran tersebut boleh sampai kepada teleskop radio dari kawasan galaksi yang terlindung pada panjang gelombang tampak.

Walau bagaimanapun, gelombang radio bukanlah bebas daripada semua gangguan. Sinaran 21 sentimeter masih boleh mengalami penyerapan oleh gas hidrogen neutral tertentu, selain dipengaruhi hingar dan had kepekaan instrumen. Pemerhatian radio memberikan maklumat yang melengkapi pemerhatian cahaya tampak, bukannya menggantikannya sepenuhnya.

Bagaimanakah ahli astronomi mengetahui pergerakan gas?

Atom hidrogen neutral mempunyai frekuensi rehat garis spektrum yang tertentu, iaitu frekuensi yang diukur apabila tiada pergerakan relatif sepanjang arah pandangan antara sumber sinaran dengan pemerhati. Namun, awan gas dalam Bima Sakti bergerak mengelilingi pusat galaksi. Apabila awan gas bergerak menghampiri pemerhati, frekuensi sinaran yang diterima boleh menjadi sedikit lebih tinggi daripada frekuensi asalnya, manakala apabila awan gas bergerak menjauhi pemerhati, frekuensi yang diterima menjadi sedikit lebih rendah. Perubahan ini dikenali sebagai kesan Doppler.

Dengan mengukur peralihan frekuensi, ahli astronomi dapat menganggarkan komponen kelajuan awan gas sepanjang arah pandangan. Pengiraan tersebut turut memerlukan pembetulan terhadap pergerakan Bumi dan Matahari. Walaupun begitu, satu ukuran frekuensi tidak memberikan kedudukan tiga dimensi awan gas secara terus, kerana anggaran jarak memerlukan maklumat tambahan atau model putaran galaksi.

Bagaimanakah peta gas hidrogen dibina?

Ahli astronomi menghalakan teleskop radio ke pelbagai arah di langit dan merekodkan kekuatan sinaran pada frekuensi berhampiran 1,420 megahertz. Setiap pemerhatian memberikan spektrum radio bagi arah tertentu. Kekuatan sinaran membantu penyelidik menganggarkan jumlah hidrogen neutral sepanjang arah pandangan, dengan mengambil kira keadaan fizikal gas dan kesan penyerapan, manakala perubahan frekuensi pula memberikan maklumat tentang gerakan gas. Apabila pemerhatian daripada banyak arah digabungkan, ahli astronomi dapat menghasilkan peta taburan hidrogen neutral.

Sebagai contoh, tinjauan HI4PI yang diterbitkan pada 2016 menggabungkan pemerhatian teleskop radio Effelsberg di Jerman dengan teleskop Parkes di Australia. Hasilnya ialah peta seluruh langit yang memperlihatkan taburan hidrogen neutral di Bima Sakti serta galaksi berhampiran. Peta ini membantu penyelidik mengkaji struktur gas dalam cakera galaksi, awan hidrogen dan hubungan antara gas dengan pembentukan bintang.

Adakah peta radio menunjukkan keseluruhan Bima Sakti?

Tidak. Garis 21 sentimeter terutama sekali mengesan hidrogen atom neutral, yang dikenali sebagai H I dalam astronomi. Hidrogen juga boleh wujud sebagai molekul hidrogen atau gas terion, dan bentuk-bentuk tersebut tidak dipetakan dengan cara yang sama menggunakan garis 21 sentimeter. Tambahan pula, awan gas yang berlainan boleh berada pada arah pandangan yang sama, dan isyaratnya mungkin bertindih dalam spektrum, khususnya apabila komponen kelajuan sepanjang arah pandangan hampir sama.

Oleh itu, peta hidrogen neutral bukan gambar lengkap semua bahan dalam galaksi. Ahli astronomi menggabungkan pemerhatian radio, inframerah, cahaya tampak dan panjang gelombang lain untuk membina gambaran yang lebih menyeluruh tentang Bima Sakti.

Bagaimanakah garis hidrogen 21 sentimeter ditemukan?