كيفية رصد التلسكوبات اللاسلكية الإشارات من أعماق الفضاء

التلسكوبات اللاسلكية لا تبدو مثل التلسكوبات البصرية، لكنها تعمل على نفس المبدأ الأساسي: جمع الضوء وتركيزه وتحليله. الفرق هو الطول الموجي. وفقاً لمرصد الراديو الفلكي الوطني الأمريكي (NRAO)، تراقب التلسكوبات اللاسلكية أطوالاً موجية تتراوح تقريباً بين 1 ملليمتر و10 أمتار، وهي أطول بكثير من بضعة مئات من النانومترات للضوء المرئي، وهذا هو السبب في أن "عدسات" هذه التلسكوبات مصنوعة من أطباق معدنية بدلاً من الزجاج.

تحويل همسة ضعيفة إلى بيانات قابلة للاستخدام

يصف مرصد الراديو الفلكي الوطني الإشارات الراديوية الكونية بأنها ضعيفة بشكل مذهل، ويشير إلى أن إشارة هاتف محمول واحد تحمل تقريباً مليار مليار مرة أكثر قوة من موجات راديو كونية ضعيفة جداً بُنيت هذه التلسكوبات لرصدها. لالتقاط أي شيء مفيد، يحتاج التلسكوب اللاسلكي إلى منطقة جمع كبيرة وإلكترونيات حساسة.

• طبق مكافئ، شكله المنحني يعكس موجات الراديو الواردة إلى نقطة تركيز واحدة فوقه
• قرن تغذية عند تلك النقطة، قمع معدني بحجم الطول الموجي قيد الدراسة، والذي يوجه الموجات إلى جهاز الاستقبال
• جهاز استقبال، غالباً ما يكون مبرداً بشكل عميق، يكتشف الإشارة ويمررها
• مضخم يعزز الإشارة قبل تسجيلها للتحليل

ربط التلسكوبات معاً: مقياس التداخل

طبق واحد، مهما كان حجمه، لا يمكن أن يطابق التفاصيل الدقيقة التي يحققها تلسكوب بصري. يشرح مرصد الراديو الفلكي الوطني أن الفلكيين اللاسلكيين يحلون هذه المشكلة باستخدام مقياس التداخل: توجيه عدة هوائيات نحو نفس الجسم واستخدام حاسوب فائق يُسمى معالج الربط لجمع إشاراتهم كما لو أتت من تلسكوب عملاق واحد. لأن نفس الإشارة الكونية تصل إلى كل هاء في لحظة مختلفة قليلاً، فإن فروقات التوقيت الناتجة تسمح لعلماء الفلك بإعادة بناء تفاصيل أكثر بكثير مما يمكن لأي طبق واحد أن يلتقطه بمفرده. يشير مرصد الراديو الفلكي الوطني إلى أن معالجات الربط يمكن أن تعمل بسرعات الفيمتوثانية، محققة ما يصل إلى 16 مليار مليار عملية في الثانية، وأن مصفوفة الخط الأساسي الطويل جداً الخاصة به تنتشر هوائيات عبر القارات، متزامنة بواسطة ساعات ماسر الهيدروجين الذرية الدقيقة لبضعة مليارات من الثانية.

تصوير ثقب أسود بتلسكوب بحجم الأرض

أوضح مثال على هذه التقنية هو تلسكوب حافة الحدث (EHT). وفقاً لمرصد الراديو الفلكي الوطني، يربط ثمانية تلسكوبات لاسلكية بحرية موزعة حول العالم، التي راقبت معاً خلال حملة عام 2017 باستخدام مقياس تداخل خط أساسي طويل جداً بحيث تصرفت كأداة واحدة بحجم الأرض تقريباً. سجل كل تلسكوب تقريباً 350 تيرابايت من البيانات يومياً؛ تم فيما بعد نقل التسجيلات بالطائرة إلى معالجات متخصصة في معهد ماكس بلانك لراديو الفلك ومرصد MIT Haystack لدمجها.

كان الهدف هو الثقب الأسود الضخم في مركز المجرة M87. يمتد آفق حدثه تقريباً 40 مليار كيلومتر، لكن من الأرض كان الحلقة المضيئة الناتجة حول ظله تقيس حوالي 40 ثانية قوسية صغيرة فقط—مقياس يقارنه مرصد الراديو الفلكي الوطني بـ "قياس طول بطاقة ائتمان على سطح القمر". أنتجت البيانات المدمجة أول صورة على الإطلاق لظل ثقب أسود.

التقاط وميضات سريعة جداً من جميع أنحاء الكون

لا تعتمد كل تلسكوبات اللاسلكية على طبق على الإطلاق. CHIME، تجربة رسم خريطة كثافة الهيدروجين الكندية في مرصد Dominion Radio Astrophysical في كولومبيا البريطانية، تستخدم أربعة عاكسات أسطوانية على شكل نصف أنبوب ثابتة بدون أجزاء متحركة، وفقاً لفيزياء MIT. بدلاً من توجيه الأجهزة، يعالج معالج الربط الخاص بها حوالي 7 تيرابت من البيانات في الثانية لإعادة بناء الإشارات الرقمية القادمة من آلاف الاتجاهات في السماء في نفس الوقت.

جعل هذا التصميم CHIME فعالة بشكل استثنائي في التقاط الومضات الراديوية السريعة (FRBs)، وهي ومضات تستغرق أجزاء من الثانية من الطاقة الراديوية من أعماق الفضاء. في سنتها الأولى من التشغيل، 2018–2019، اكتشفت CHIME 535 ومضة راديوية سريعة جديدة، مما جعل العدد يقترب من أربع مرات عدد الومضات حوالي 140 المعروفة عالمياً حتى تلك النقطة، أفادت فيزياء MIT. شملت الحصيلة 18 مصدراً انفجرت بشكل متكرر، وهو نمط اقترح أن الومضات المتكررة والومضات التي تحدث مرة واحدة فقط قد تنشأ من آليات فيزيائية فلكية مختلفة.

أكبر طبق في العالم، وما يأتي بعده

تلسكوب الراديو الكروي بفتحة 500 متر (FAST) الصيني، المبني في وادٍ طبيعي في مقاطعة Guizhou، يحتوي على طبق بقطر 500 متر مصنوع من حوالي 4,400 لوحة ألومنيوم قابلة للتعديل، مما يعطيه فتحة فعلية بحوالي 300 متر في أي وقت معين، وفقاً لـ EarthSky. يراقب أطوالاً موجية من 10 سنتيمترات إلى 4.3 أمتار ويمتلك حوالي ضعف مساحة الجمع للطبق بقطر 305 متر في Arecibo الذي تفوق عليه في الحجم. أصبح FAST بالكامل تشغيلياً في يناير 2020 وبدأ تخصيص حوالي 10% من وقت الرصد للباحثين الدوليين في أغسطس 2021.

ترجمت هذه الحساسية إلى حصيلة قياسية من النجوم النابضة—نجوم نيوترونية سريعة الدوران تمسح شعاعات موجات راديو عبر الأرض مثل منارة. اعتباراً من أكتوبر 2025، حدد FAST 1,152 نجماً نابضاً، وهو أكثر من الإجمالي المشترك الذي عثرت عليه التلسكوبات الأخرى عالمياً خلال نفس الفترة، حسبما ذكرت محطة CGTN الإعلامية الحكومية الصينية.

القفزة التالية في الحجم قيد الإنشاء بالفعل. تبني مرصد SKA مصفوفتين متكاملتين، وفقاً لوصفها الخاص للمشروع: SKA-Low في Western Australia، مع 131,072 هاء موزعة عبر خط أساسي أقصى بطول 74 كيلومتراً، و SKA-Mid في جنوب أفريقيا، مع 197 هاء طبق يمتد عبر خط أساسي أقصى بطول 150 كيلومتراً. يُقصد أن تسمح موقعا الموقع معاً لعلماء الفلك بدراسة هيكل المجرات، والبيئات حول الثقوب السوداء، والموجات الثقالية بمزيد من التفاصيل مما تسمح به الأجهزة الموجودة.