چگونگی تشخیص تلسکوپ‌های رادیویی سیگنال‌های عمیق فضا

تلسکوپ‌های رادیویی به نظر تلسکوپ‌های نوری نمی‌رسند، اما بر اساس یک اصل پایه‌ای یکسان کار می‌کنند: جمع‌آوری نور، متمرکز کردن آن، و تجزیه و تحلیل آن. تفاوت طول موج است. طبق مرصد رادیو نجومی ملی ایالات متحده (NRAO)، تلسکوپ‌های رادیویی طول موج‌هایی را مشاهده می‌کنند که تقریباً بین 1 میلیمتر و 10 متر است، خیلی طولانی‌تر از چند صد نانومتر نور مرئی، که به همین دلیل "لنزهای" این تلسکوپ‌ها از ظروف فلزی به جای شیشه ساخته شده‌اند.

تبدیل یک نجوا ضعیف به داده‌های قابل استفاده

NRAO سیگنال‌های رادیویی کیهانی را فوق‌العاده ضعیف توصیف می‌کند، و توجه می‌دهد که یک سیگنال تلفن همراه واحد تقریباً یک میلیارد میلیارد بار بیشتر قدرت دارد تا موج‌های رادیویی کیهانی ضعیفی که این تلسکوپ‌ها برای تشخیص آن‌ها ساخته شده‌اند. برای گرفتن هر چیز مفید، یک تلسکوپ رادیویی به یک منطقه جمع‌آوری بزرگ و الکترونیک‌های حساس نیاز دارد.

• یک ظرف سهموی، شکل منحنی‌اش موج‌های رادیویی ورودی را به یک نقطه فوکوس واحد بالای آن منعکس می‌کند
• یک شاخ تغذیه در آن نقطه، یک قیف فلزی با اندازه طول موج مورد مطالعه، که موج‌ها را به گیرنده هدایت می‌کند
• یک گیرنده، اغلب فوق‌الحد خنک‌شده، که سیگنال را تشخیص می‌دهد و آن را ارسال می‌کند
• یک تقویت‌کننده که سیگنال را قبل از ضبط برای تجزیه و تحلیل تقویت می‌کند

پیوند دادن تلسکوپ‌ها با یکدیگر: تداخل‌سنجی

یک ظرف واحد، مهم نیست که چقدر بزرگ باشد، نمی‌تواند با جزئیات خوب تلسکوپ نوری برابری کند. NRAO توضیح می‌دهد که نجوم‌شناسان رادیویی این مسئله را با تداخل‌سنجی حل می‌کنند: اشاره کردن چندین آنتن به یک جسم و استفاده از یک ابرکامپیوتر به نام همبستگی‌کننده برای ترکیب سیگنال‌های آن‌ها طوری که گویی از یک تلسکوپ غول‌پیکر واحد آمده باشند. از آنجا که همان سیگنال کیهانی در هر آنتن در لحظه‌ای کمی متفاوت می‌رسد، تفاوت‌های زمانی حاصل به نجوم‌شناسان اجازه می‌دهد تا جزئیات بسیار بیشتری را بازسازی کنند تا اینکه یک ظرف واحد به تنهایی می‌تواند بگیرد. NRAO توجه می‌دهد که همبستگی‌کننده‌ها می‌توانند با سرعت فمتوثانیه کار کنند، تا 16 کوادریلیون عملیات در ثانیه را انجام دهند، و آرایه خط پایه بسیار طولانی آن آنتن‌ها را در سراسر قاره‌ها پخش می‌کند، با ساعت‌های هیدروژن ماسر اتمی که در چند میلیاردم ثانیه دقیق هستند، هماهنگ شده‌اند.

تصویربرداری یک سیاهچاله با تلسکوپ اندازه زمین

واضح‌ترین نمایش این فن تلسکوپ حافه رویداد (EHT) است. طبق NRAO، هشت تلسکوپ رادیویی زمینی پراکنده در سراسر جهان را پیوند می‌دهد، که در طول یک کمپین سال 2017 با تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی با یکدیگر مشاهده کردند تا اینکه به عنوان یک ابزار واحد تقریباً به اندازه زمین عمل کردند. هر تلسکوپ تقریباً 350 ترابایت داده را در روز ثبت کرد؛ ضبط‌ها بعداً با هواپیما به همبستگی‌کننده‌های تخصصی در موسسه ماکس پلانک برای نجومی رادیویی و رصدخانه MIT Haystack برای ترکیب شدن منتقل شدند.

هدف سیاهچاله فوق‌العظیم در مرکز کهکشان M87 بود. افق رویداد آن تقریباً 40 میلیارد کیلومتر را در بر می‌گیرد، اما از زمین حلقه روشن حاصل در اطراف سایه‌اش فقط حدود 40 میکروثانیه قوسی اندازه گیری شد—یک مقیاسی که NRAO آن را با "اندازه‌گیری طول یک کارت اعتباری بر سطح ماه" مقایسه می‌کند. داده‌های ترکیب شده اولین تصویر سایه سیاهچاله را تولید کردند.

گرفتن فلش‌های سریع از سراسر جهان

نه هر تلسکوپ رادیویی بر یک ظرف متکی است. CHIME، آزمایش نقشه‌برداری شدت هیدروژن کانادایی در رصدخانه Dominion Radio Astrophysical در کلمبیای بریتانیا، طبق فیزیک MIT از چهار بازتاب‌کننده استوانه‌ای شکل نیم‌لوله ثابت بدون قطعات متحرک استفاده می‌کند. به جای راهنمایی سخت‌افزار، همبستگی‌کننده‌اش تقریباً 7 ترابیت داده را در ثانیه پردازش می‌کند تا سیگنال‌های ورودی از هزاران جهت در آسمان را به طور همزمان از نظر دیجیتالی بازسازی کند.

این طراحی CHIME را فوق‌العاده موثر در گرفتن فلش‌های رادیویی سریع (FRBs) کرده، فلش‌های میلی‌ثانیه‌ای از انرژی رادیویی از عمق فضا. در سال اول فعالیت، 2018–2019، CHIME 535 FRB جدید را تشخیص داد، تقریباً چهار برابر تقریباً 140 فلش شناخته‌شده در جهان تا آن نقطه، گزارش فیزیک MIT داد. حصیلت شامل 18 منبع بود که بارها انفجار شد، الگویی که پیشنهاد می‌کرد FRBهای تکرار‌شونده و یک‌بار می‌توانند از مکانیزم‌های فیزیکی متفاوتی ناشی شوند.

بزرگ‌ترین ظرف جهان، و آنچه بعد می‌آید

تلسکوپ رادیویی کروی بزرگ بیست و پنج متری چین (FAST)، ساخته شده در یک دره طبیعی در استان Guizhou، یک ظرف 500 متری ساخته شده از تقریباً 4,400 پنل آلومینیومی قابل تنظیم دارد، که طبق EarthSky یک دهانه مؤثر حدود 300 متر در هر لحظه‌ای معین می‌دهد. طول موج‌های 10 سانتی‌متر تا 4.3 متر را مشاهده می‌کند و تقریباً دو برابر منطقه جمع‌آوری ظرف 305 متری Arecibo را که از نظر اندازه از آن بزرگ‌تر بود دارد. FAST در ژانویه 2020 به طور کامل عملیاتی شد و از اوت 2021 حدود 10% از زمان رصد خود را به محققین بین‌المللی اختصاص دادن شروع کرد.

این حساسیت به حصیلتی بی‌نظیر از پالسار‌ها—ستاره‌های نیوترونی سریع چرخان که تیغه‌های موج رادیویی را از کنار زمین مثل فانوس اسکله می‌کشند—منتج شد. تا اکتبر 2025، FAST 1,152 پالسار را شناسایی کرده بود، بیشتر از مجموع ترکیبی یافته‌شده توسط تلسکوپ‌های دیگر در جهان در طول همان دوره، طبق گزارش CGTN سازمان پخش‌گزاری دولتی چین.

پرش بعدی در مقیاس در حال ساخت است. مرصد SKA دو آرایه متمم‌کننده را می‌سازد، طبق توضیح خود از پروژه: SKA-Low در غرب‌آسترالیا، با 131,072 آنتن پخش شده در یک خط پایه حداکثری 74 کیلومتری، و SKA-Mid در آفریقای جنوبی، با 197 آنتن ظرف که در یک خط پایه حداکثری 150 کیلومتری امتداد دارند. هدف این است که این دو سایت با یکدیگر اجازه دهند به نجوم‌شناسان ساختار کهکشان، محیط‌های اطراف سیاهچاله‌ها، و موج‌های گرانشی را با جزئیاتی بیشتر از آنچه ابزارهای موجود اجازه می‌دهند مطالعه کنند.