כיצד טלסקופי רדיו מזהים אותות מעומק החלל

טלסקופי רדיו לא נראים כמו טלסקופים אופטיים, אבל הם פועלים על אותו עיקרון בסיסי: אוסף אור, מיקודו וניתוחו. ההבדל הוא אורך הגל. על פי מצפה הרדיו האסטרונומי הלאומי של ארה"ב (NRAO), טלסקופי רדיו מצפים אורכי גל בקירוב בין 1 מילימטר ל-10 מטרים, הרבה יותר ארוך מאשר מאות השנאנומטרים של אור נראה, זו הסיבה שה"עדשות" של טלסקופים אלה עשויות מטבעות מתכתיות ולא זכוכית.

הפוך לחישה חלשה לנתונים שניתן להשתמש בהם

NRAO מתאר אותות רדיו קוסמיים כחלשים להפליא, ומציין שאות טלפון סלולרי יחיד נושא בערך מיליארד מיליארד פעמים יותר כוח מאשר גלי רדיו קוסמיים חלשים שטלסקופים אלה בנויים לגילוי. כדי לתפוס משהו שימושי, טלסקופ רדיו צריך אזור אוסף גדול והלקטרוניקה רגישה.

• מגבה פרבולית, שצורתה המעוקלת משקפת גלי רדיו נכנסים לנקודת מיקוד יחידה מעליה
• קרן הזנה באותה נקודה, משפך מתכתי בגודל אורך הגל הנחקר, המנחה גלים לתוך המקלט
• מקלט, לעתים קרובות מקורר יתר על המידה, המגלה את האות ומעביר אותו
• מגברור המגביר את האות לפני הקלטתו לניתוח

קישור טלסקופים ביחד: אינטרפרומטריה

מגבה יחידה, לא משנה כמה גדולה, לא יכולה להתאים לפרטים דקים שטלסקופ אופטי יכול להשיג. NRAO מסביר שאסטרונומים בעלי רדיו פותרים זאת עם אינטרפרומטריה: הכוונת כמה אנטנות לאותו אובייקט ושימוש בסופרקומפיוטר הנקרא מתאם כדי לשלב את האותות שלהם כאילו באו מטלסקופ ענק יחיד. מכיוון שאותו אות קוסמי מגיע לכל אנטנה בהפרש זמן קל, הפרשי התזמון שנוצרים מאפשרים לאסטרונומים לשחזר הרבה יותר פרטים ממה שכל מגבה יחיד יכול להשיג בעצמו. NRAO מציין שמתאמים יכולים לפעול בקצב פמטו-שנייה, ביצוע עד 16 קוודריליון פעולות בשנייה, וש-Very Long Baseline Array שלו מפזר אנטנות על פני יבשות, מסונכרן על ידי שעונים אטומיים של הידרוגן מייזר מדויקים לחלק קטן מיליארד של שנייה.

צילום חור שחור בעזרת טלסקופ בגודל כדור הארץ

ההדגמה הברורה ביותר של טכניקה זו היא Event Horizon Telescope (EHT). על פי NRAO, הוא קושר שמונה טלסקופי רדיו קרקע פזורים ברחבי העולם, שנצפו יחד במהלך קמפיין 2017 תוך שימוש בתוך אינטרפרומטריה בסיסית ארוכה מאוד כך שהם פעלו כמכשיר יחיד בגודל כדור הארץ בערך. כל טלסקופ הקליט בערך 350 טרה-בתים של נתונים ליום; ההקלטות הועברו מאוחר יותר בטיסה למתאמים מיוחדים במכון מקס פלנק לאסטרונומיה רדיו ותצפית MIT Haystack לשילוב.

המטרה הייתה החור השחור העל-מסיבי במרכז הגלקסיה M87. אופק האירוע שלו משתרע על בערך 40 מיליארד קילומטר, אך מכדור הארץ הטבעת הבוהקת שנוצרה סביב הצל שלו מדדה רק בערך 40 microarcseconds—סולם ש-NRAO משווה ל"מדידת אורך כרטיס אשראי על פני הירח". הנתונים המשולבים הייצרו את התמונה הראשונה אי פעם של צל חור שחור.

תפיסת הבזקים מהירים מכל רחבי היקום

לא כל טלסקופ רדיו מסתמך על מגבה בכלל. CHIME, ניסוי מפת עוצמת מימן קנדי במצפה Dominion Radio Astrophysical בקולומביה הבריטית, משתמש בארבעה משקפים גליליים בצורת חצי צינור קבועים ללא חלקים נעים, על פי MIT Physics. במקום הנחיית חומרה, המתאם שלה מעבד בערך 7 ברמת נתונים בשנייה כדי לשחזר מחדש באופן דיגיטלי אותות שהגיעו מאלפים כיוונים בשמיים בו זמנית.

עיצוב זה הפך את CHIME לאפקטיבי במיוחד בתפיסת הבזקי רדיו מהירים (FRBs), הבזקים שאורכם אלפית השנייה של אנרגיית רדיו מעומק החלל. בשנת הפעולה הראשונה שלה, 2018–2019, CHIME זיהתה 535 FRBs חדשות, כמעט ריבוע בערך 140 הבזקים הידועים בעולם עד לנקודה זו, דיווחה MIT Physics. הקציר כלל 18 מקורות שהתפוצצו שוב ושוב, דפוס שהציע שהבזקים חוזרים ונשנים ו-FRBs חד-פעמיים עשויים לנבוע ממנגנונים אסטרופיזיקליים שונים.

המגבה הגדול ביותר בעולם, ומה הלאה

Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) של סין, שנבנה בעמק טבעי בחבל Guizhou, כולל מגבה של 500 מטר עשויה מבערך 4,400 לוחות אלומיניום ניתנים לכיוונון, מה שנותן לו צידון יעיל של בערך 300 מטר בכל עת נתונה, על פי EarthSky. זה צופה באורכי גל מ-10 סנטימטר עד 4.3 מטר ומחזיק בערך פי שניים משטח האוסף של הדיש 305 מטר Arecibo שהוא עלה עליו בגודל. FAST הפך למלא תפקיד בינואר 2020 והחל להקצות בערך 10% מזמן התצפית שלו לחוקרים בינלאומיים באוגוסט 2021.

הרגישות זו תורגמה לאיסוף שיא של פולסרים—כוכבי נויטרונים מסתובבים במהירות המטאטאים קרני גלי רדיו מעל כדור הארץ כמו מגדלור. נכון לאוקטובר 2025, FAST זיהה 1,152 פולסרים, יותר מהסה"כ המשולב שנמצא על ידי טלסקופים אחרים בעולם באותה תקופה, דיווחה ערוצי הסיבוב של המדינה CGTN.

הקפיצה הבאה בקנה מידה כבר בבנייה. SKA Observatory בונה שני מערכים משלימים, על פי התיאור שלה של הפרויקט: SKA-Low במערב אוסטרליה, עם 131,072 אנטנות פזורות על קו בסיס מרבי של 74 קילומטר, ו-SKA-Mid בדרום אפריקה, עם 197 אנטנות מגבה המתפרשות על קו בסיס מרבי של 150 קילומטר. שני האתרים ביחד מיועדים לאפשר לאסטרונומים לחקור מבנה גלקסיה, סביבות סביב חורים שחורים, וגלים כבידתיים בפרטים גדולים יותר מאשר כלים קיימים מאפשרים.