+ آشنائي با نحوه کارکرد راديو تلسکوپها +

[Shahryar]

در اوايل قرن هفدهم ميلادي گاليله با ساختن تلسكوپ، چشم خود را به ابزاري مسلح نمود كه مي‌توانست توانايي رصد او را افزايش دهد. هر چند امروزه تلسكوپهايي به مراتب قويتر و حساستر از آنچه گاليله ساخته بود، طراحي و توليد مي‌شوند، اما اصل موضوع هنوز تغيير نكرده است. واقعيت اين است كه بايد نوري وجود داشته باشد تا تلسكوپ با جمع‌آوري و متمركز ساختن آن تصويري تهيه نمايد.
جيمز كلارك ماكسول، فيزيكدان برجسته انگليسي در قرن نوزدهم ميلادي پي به ماهيت الكترومغناطيسي بودن نور برد. در واقع امواج الكترومغناطيسي تنها به نور محدود نمي‌شوند و طيف گسترده‌اي را در بر مي‌گيرند، اما چشم ما فقط قادر به ايجاد تصوير از محدوده خاصي از اين طيف گسترده‌ مي‌باشد كه ما آن را نور مي‌ناميم. براي مشاهده و درك ساير طول موجهاي ارسال شده به جانب ما، احتياج به ابزاري جهت جمع‌آوري، آناليز و آشكارسازي آنها به شكل صوت يا تصوير داريم..

 [External Link Removed for Guests] 

امواج الكترومغناطيسي طيف بسيار وسيعي از طول موجهاي بسيار كوچك تا بسيار بزرگ را در بر‌مي‌گيرند. اين امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسيم‌بندي مي‌كنند كه شامل امواج گاما با طول موجهايي كوچكتر از 9-10 سانتيمتر تا امواج راديويي با طول موج بزرگتر از 10 سانتيمتر را شامل مي‌شوند. همانطور كه در شكل بالا ملاحظه مي‌شود محدوده امواج نوري كه قابل ديدن توسط چشم انسان مي‌باشند، محدوده بسيار كوچكي از اين طيف گسترده است. با حركت از سمت امواج راديويي به سمت امواج گاما، همزمان با كاهش طول موج، فركانس آن و در نتيجه انرژي موج افزايش مي‌يابد.


هنگامي كه رصد از سطح زمين انجام مي‌گيرد، دريافت و آشكارسازي امواج الكترومغناطيسي با مشكلي روبرو مي‌شود كه به اثرات جوّ غليظ زمين مربوط مي‌گردد. جوّ زمين تنها به محدوده امواج مرئي، مايكروويو و راديويي، آن هم با جذب و پراكنده ساختن بسيار، اجازه عبور مي‌دهد. از آن‌جاكه امواج مايكروويو بخشي از امواج راديويي محسوب مي‌شوند، مشاهده مي‌شود كه با آشكارسازي محدوده وسيع امواج راديويي گسيل شده از آسمان، راه ديگري براي رصد اجرام سماوي گشوده مي‌شود.

 [External Link Removed for Guests] 

اختر شناسان از سال ۱۹۳۱ كه كارل جانسكي ( K.Jansky ) به طور اتفاقي راديو تلسكوپ را كشف كرد، بارها و بارها به اين نكته پي برده‌اند كه جهان بسيار فراتر از آن چيزي است كه چشم انسان قادر به ديدن آن است. با استفاده از راديو تلسكوپ‌ها، آشكارسازهاي زير قرمز و ماوراي بنفش و تلسكوپهاي اشعه X و اشعه گاما جزئيات بسيار دقيقي از كيهان آشكار شده است و معلوم شد كه كيهان مملو از اجرام عجيبي همچون سياهچاله‌ها و تپ‌اختر‌ها است كه نمي توان آنها را از وراي عدسي چشمي يك تلسكوپ نوري مشاهده كرد. در حقيقت هر قسمت از طيف الكترومغناطيس چيز هاي عجيب و منحصر به فردي را به اخترشناسان ارائه داده است.

 [External Link Removed for Guests] 

ابزاري كه براي مشاهده راديويي آسمان مورد استفاده قرار مي‌گيرد را تلسكوپ راديويي مي‌نامند كه از نظر ساختار كلي بسيار شبيه يك راديوي معمولي عمل مي‌كند، بدين معني كه همانند راديوهاي معمولي از يك آنتن، يك آمپلي فاير و يك آشكار‌ساز تشكيل شده ا‌ست. آنتن‌ها مي‌توانند از يك آنتن ساده و معمولي نيم موج دو قطبي، نظير آنچه در گيرنده‌هاي تلويزيوني استفاده مي‌شود، تا آنتن‌هاي مجهز به بشقابهاي عظيم 300 متري باشند..
در تلسكوپهاي راديويي نيز همانند آنچه در مورد همتاي نوري آنها صادق است، بزرگ بودن سطح جمع‌آوري كننده امواج از دو جنبه مفيد مي‌باشد.


اول آنكه توان جمع‌آوري امواج براي رصد منابع ضعيف و يا خيلي دور افزايش مي‌يابد و دوم اينكه توان تفكيك نسبت مستقيمي با قطر بشقاب آنتن دارد. هر چه، قدرت تفكيك تلسكوپي بيشتر باشد، توانايي آن براي جداسازي جزييات تصوير افزايش خواهد يافت. قدرت تفكيك تلسكوپها رابطه تنگاتنگي با سطح جمع‌آوري كننده امواج و طول موج آنها دارد. هر جه سطح جمع‌آوري كننده بزرگتر و طول موج امواج الكترومغناطيسي كوچكتر باشند، قدرت تفكيك تلسكوپ افزايش مي‌يابد. مشكل تلسكوپهاي راديويي از اينجا شروع مي‌شود كه قدرت تفكيك يك تلسكوپ با طول موج دريافتي نسبت عكس دارد. تلسكوپهاي راديويي در مقابل همتايان نوري خود كه موظف به جمع‌آوري و آشكارسازي امواجي در محدوده طول موج 4-10 تا 5-10 سانتيمتر مي‌باشند، مي‌بايستي امواجي با دامنه وسيع طول موج، از يك ميليمتر تا چندين متر را جمع‌آوري نمايند. اين امر باعث مي‌شود كه توان تفكيك اين گونه از تلسكوپها به شدت كاهش پيدا كند. براي مثال قدرت تفكيك يك تلسكوپ نوري 50 سانتيمتري، 2/0 ثانيه قوسي است، در حالي كه قدرت تفكيك يك تلسكوپ راديويي به خصوص، با همين قطر دهانه 138 درجه خواهد بود. اگر بدانيم كه قرص كامل ماه در آسمان تنها 5/0 درجه قوسي است مي‌فهميم كه چنين تلسكوپي عملاً كارايي ندارد. چنين تلسكوپي ماه را اصلاً نمي‌تواند ببيند.

اما از سوي ديگر و باز هم به دليل طول موجهاي متفاوتي كه اين دو گونه تلسكوپ در محدوده آنها رصد مي‌نمايند، ساخت بشقابهاي آنتن يك راديو تلسكوپ بسيار ساده‌تر از ساخت يك آينه و يا عدسي است. صاف بودن سطح يك بازتاب كننده خوب، رابطه مستقيمي با طول موجِ امواجي دارد كه بايد از سطح آن بازتابيده شوند. مي‌توان فرض كرد، زماني بازتاب كننده‌اي مورد قبول خواهد بود كه قطر يا ضخامت هيچكدام از خُلَل و فَرجهاي روي آن از 05/0 طول موج مورد نظر بيشتر نباشد، بنابراين بشقاب آنتني كه قرار است براي امواجي به طول موج حداقل 20 سانتيمتر، ساخته شود، مجاز به داشتن ناهمواريهايي تا قطر 1 سانتيمتر است. اين مقدار ناهمواري كه براي بشقاب تلسكوپ راديويي مجاز به شمار مي‌رود، براي آينه يك تلسكوپ نوري فاجعه به حساب آمده و عملاً آن را غير قابل استفاده مي‌نمايد.

به دليل گفته شده است كه مي‌توان راديوتلسكوپهايي با يك بشقاب 300 متري ساخت، كاري كه در مورد تلسكوپهاي نوري به يك معجزه شباهت دارد. براي اينكه مقايسه‌اي كرده باشيم، بد نيست بدانيد كه اگر مي‌شد يك تلسكوپ نوري، با آينه 300 متري ساخت، قادر بوديم ستاره شعراي يماني را به وضوح و پرنوري يك قرص ماه كامل مشاهده نماييم.

مزيت عمده استفاده از امواج راديويي براي مشاهده آسمان، اين است كه حتي در نور روز و هواي ابري نيز مي‌توان رصد را ادامه داد. در طول روز پخش نور خورشيد توسط مولكولهاي گازيِ جوّ زمين باعث مي‌شود كه لايه‌اي روشن و آبي اطراف ما را احاطه كند. شدت روشنايي جوّ زمين در روز به حدي است كه از ميان آن قادر به ديدن ستاره‌هاي كم فروغ بالاي سرمان نمي‌شويم. تنها جرم پرنوري مانند خورشيد و يا در بعضي زمانهاي خاص، ماه نسبتاً كامل را مي‌توان در طول روز رؤيت كرد. همچنين نور مرئي قادر به گذر از لايه‌هاي ضخيم و متراكم بخار آب نمي‌باشد. اين موضوع به طول موج كوچك نور وابسته است. هيچكدام از مواردي كه ياد شد براي امواج راديويي با طول موجهاي بزرگي كه دارند مانع و يا مزاحم شناخته نمي‌شوند و عمليات رصد راديويي پيوسته ادامه دارد.

در مورد تلسكوپهاي راديويي بسيار عظيم، نظير راديو تلسكوپ 305 متري آرسيبو واقع در كشور پورتوريكو، يك مشكل اساسي وجود دارد و آن، اين است كه حركت دادن چنين مجموعه عظيمي براي تنظيم روي سوژه مورد نظر، غير ممكن مي‌باشد. از اين رو دانشمندان براي رصد يك جرم سماوي خاص، بايد آنقدر صبر كنند تا در اثر چرخش زمين به دور خودش و يا خورشيد، هدف در راستاي ديد اين بشقاب بزرگ قرار گيرد..
براي رفع اين مشكل و همچنين به دليل نياز به دستيابي به قدرت تفكيك بيشتر، روش ديگري در ساخت و استفاده از راديو تلسكوپها به وجود آمده است كه مبتني بر تداخل‌سنجي راديويي است


 [External Link Removed for Guests] 

در اين روش مجموعه‌اي از چند راديو تلسكوپ به نسبت كوچكتر، با كمك هدايت كننده‌هاي كامپيوتري در جهت خاصي تنظيم شده و سيگنالهاي دريافتي از آنها آناليز مي‌شود تا تصوير واحد و واضحي به دست آيد. اخترشناسان راديويي با استفاده از روش تداخل‌سنجي قادر به رصد آسمان با دقتي افزون بر 001/0 ثانيه قوسي هستند. در اين روش آنتن‌ها را روي خطي كه خط مبنا ناميده مي‌شود، به دنبال هم نصب مي‌كنند. معمولا نصب آنتن‌ها روي ريلي عمود بر خط مبنا صورت مي‌گيرد تا در صورت لزوم بتوان زاويه خط را نسبت به نصب مرجع تغيير داد. حال چنانچه امواج دريافتي عمود بر خط مبنا نباشند، تلسكوپها در فواصل زماني متفاوتي، موج يكساني را دريافت مي‌كنند.

با استفاده از الگوريتمهاي رياضي و توجه به فواصل زماني دريافت سيگنالها، مي‌توان موقعيت منبع راديويي را با دقت بسيار خوبي تخمين زد. هر چه فاصله تلسكوپها از يكديگر بيشتر باشد، اختلاف زماني و در نتيجه دقت اندازه‌گيري افزايش خواهد يافت. در اين روش، فاصله اولين تا آخرين تلسكوپ، معادل قطر بشقاب تلسكوپ واحد در نظر گرفته مي‌شود. .
نمونه‌اي از اين گونه تلسكوپها، مجموعه‌اي با نام "آرايه خيلي بزرگ" (VLA) مي‌باشد كه در نيومكزيكوي آمريكا قرار دارد و طول خط مبناي آن 36 كيلومتر است.


اين مجموعه عظيم از 27 عدد تلسكوپ با قطر بشقاب 25 متر تشكيل شده است. آنتنها روي ريلهايي قرار گرفته‌اند كه به دانشمندان اجازه مي‌دهد بتوانند آنها را در انواع چيدمانهاي مختلف تنظيم نمايند.


 [External Link Removed for Guests] 
[External Link Removed for Guests]