نجوم رادیویی چیست و رادیو تلسکوپ‌ها چه ویژگی‌هایی دارند؟


نجوم یکی از قدیمی ترین علوم دنیاست. از مدت‌ها قبل، انسان‌ها سعی در کشف اسرار مختلف آسمان بالای سر خود داشته‌اند. امروزه با پیشرفت علم و فناوری، نجوم به یکی از دقیق ترین و پیشرفته ترین علوم دنیا تبدیل شده است. در نجوم، اخترشناسان و ستاره شناسان ساختارها و اجرام مختلف جهان را در طول موج های مختلف مطالعه می کنند. به عبارت دیگر می توان گفت نجوم امروزی به شاخه های مختلفی طبقه بندی می شود که یکی از آنها نجوم رادیویی است. در این مقاله قصد داریم به بررسی دقیق نجوم رادیویی بپردازیم. ابتدا با مفاهیمی مانند طول موج و تابش الکترومغناطیسی آشنا می شویم. در نهایت متوجه می شویم که نجوم رادیویی چیست و در مطالعه چه اجسامی بیشترین کاربرد را دارد. نگاهی اجمالی به مفاهیم اولیه برای درک بهتر نجوم رادیویی، بهتر است ابتدا با مفاهیم اولیه مورد نیاز آشنا شوید. این مفاهیم به ما کمک می کند تا بهتر و دقیق تر بدانیم ستاره شناسان رادیویی چگونه اجرام مختلف جهان را با کمک این علم مطالعه می کنند. طول موج محیط ما پر از امواج مختلف است. به عنوان مثال، وقتی از ریموت کنترل تلویزیون برای روشن/خاموش کردن یا تنظیم صدا و تغییر کانال استفاده می کنیم، در واقع در حال ارسال امواج هستیم. رادیوها، مایکروویوها، دستگاه های موبایل و هزاران دستگاه دیگر در دنیای امروزی نیز امواجی در طول موج های مختلف ساطع می کنند. اما طول موج چیست؟ در فیزیک به فاصله بین دو قله موج یا فاصله بین دو فرورفتگی موج «طول موج» می گویند. هرچه این فاصله کوتاهتر باشد، طول موج کوتاهتر است. انرژی برای درک رابطه بین طول موج و انرژی، یک نقطه روی امواج را در تصویر بالا تصور کنید. فرض کنید این امواج در یک جهت با سرعت یکسان منتشر می شوند، یعنی هر دو موج بالا از چپ به راست با سرعت یکسانی منتشر می شوند. کدام موج بیشترین تعداد تاج را در یک ثانیه (مثلا) از نقطه مورد نظر شما دارد؟ بدیهی است که تاج های بیشتری از یک موج با طول موج کوتاهتر از نقطه هدف شما عبور می کند. پس به عبارت دیگر این موج انرژی بیشتری دارد. می توان گفت هر چه موج فشرده تر باشد – طول موج آن کوتاه تر باشد – انرژی بیشتری دارد. بنابراین طول موج و انرژی با یکدیگر رابطه معکوس دارند. تابش الکترومغناطیسی اکنون که با مفاهیم طول موج و انرژی آشنا شدیم، می‌توانیم نگاهی به تابش الکترومغناطیسی بیندازیم. کشف تابش الکترومغناطیسی سابقه طولانی دارد که بسیاری از فیزیکدانان و دانشمندان در آن مشارکت داشته اند. به طور خلاصه، دانشمندان در قرن نوزدهم کشف کردند که نور در واقع از بسته های انرژی به نام “فوتون” تشکیل شده است که می تواند هم مانند امواج و هم ذرات رفتار کند. تابش الکترومغناطیسی در واقع رفتار موج مانند نور است (تصور کنید امواجی که با انداختن یک سنگ در آب ساکن یک حوض ساطع می شوند). تابش الکترومغناطیسی طیف وسیعی از انرژی (یا به عبارت دیگر، طول موج) را پوشش می دهد. بررسی رفتار ذرات مانند نور را به مقاله دیگری واگذار می کنیم. جالب است بدانید که اجرام آسمانی مانند ستاره ها در تمام طول موج های طیف الکترومغناطیسی تابش می کنند. با توجه به طول موج، تشعشعات الکترومغناطیسی به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در زیر مشاهده می کنید. همانطور که می بینید، تابش گاما پر انرژی ترین بخش طیف الکترومغناطیسی است. در واقع تابش گاما تابش خطرناک هسته اتم های سنگین مانند اورانیوم و مواد رادیواکتیو است. انرژی این تشعشعات آنقدر زیاد است که می تواند منجر به بلایایی مانند هیروشیما شود. پس از آن، پرتوهای ایکس را می بینیم که انرژی کمتر و طول موج بیشتری نسبت به پرتوهای گاما دارند. تابش اشعه ایکس همان پرتوهایی است که در رادیولوژی و عکاسی در پزشکی استفاده می شود. با حرکت به سمت تابش هایی با انرژی کمتر (و طول موج های طولانی تر) به محدوده نور مرئی می رسیم. نور مرئی در واقع بخشی از طیف الکترومغناطیسی با طول موج 350 تا 750 نانومتر است که چشم انسان می تواند آن را ببیند. به عبارت دیگر، چشمان ما طوری طراحی شده اند که جهان را در نور مرئی ببینند. طول موج های کوتاه یا بلندتر برای چشم انسان قابل مشاهده نیست. به عنوان مثال، چشمان ما نمی توانند تابش مادون قرمز یک جسم را ببینند. در نهایت در طولانی ترین طول موج ها به تابش رادیویی می رسیم که کمترین انرژی را دارد. امواج رادیویی دارای طول موج هایی از چند سانتی متر تا چند صد متر هستند. هنگامی که رادیو خود را برای گوش دادن به ایستگاه رادیویی مورد علاقه خود تنظیم می کنید، در واقع طول موج امواج رادیویی را تنظیم می کنید که به گیرنده رادیویی می رسد. ماهواره ها، تلویزیون و ناوبرهای دریایی از دیگر ابزارهایی هستند که از امواج رادیویی برای ارسال اطلاعات استفاده می کنند. رادیو نجوم اکنون که با تشعشعات الکترومغناطیسی و امواج رادیویی آشنا شدیم، می‌توانیم مفهوم نجوم رادیویی را بهتر درک کنیم. همانطور که گفتیم اجرام آسمانی مانند ستاره ها در کل طیف الکترومغناطیسی تابش می کنند. به طور خلاصه، مطالعه تابش اجرام سماوی در محدوده رادیویی را «نجوم رادیویی» می نامند. اجرام آسمانی پرانرژی و همچنین اجرام سرد و تاریک با انرژی کم می توانند در محدوده رادیویی طیف الکترومغناطیسی تابش کنند. ستاره شناسان رادیویی انتشار سیارات غول پیکر گازی، انفجار در اعماق کهکشان ها یا حتی سیگنال های یک ستاره در حال مرگ و همچنین اختروش ها را در این شاخه از نجوم مطالعه می کنند. هر یک از اجرام یا پدیده های ذکر شده دارای الگوهای منحصر به فردی از انتشار رادیویی هستند که به اخترشناسان کمک می کند تا اطلاعات ارزشمندی به دست آورند. امروزه نجوم رادیویی یکی از شاخه های اصلی نجوم است و ویژگی های پنهان جهان پر از شگفتی های ما را آشکار می کند. این اولین بار در سال 1933 بود که “کارل جانسکی” موفق شد تشعشعات رادیویی کهکشان راه شیری را در آزمایشگاه تلفن بل ثبت کند. در واقع، این اولین تشخیص امواج رادیویی از یک شی نجومی بود. جالب است بدانید که پیش از آن در دهه 1860 دانشمندان با استفاده از معادلات “جیمز کلرک ماکسول” موفق به پیش بینی وجود چنین امواجی شده بودند، اما محدودیت های ابزارها اجازه نمی داد عملا این امواج را از آسمان ثبت کنند. بدن تا سال 1933. تحویل پس از آن، با پیشرفت تکنولوژی، دانشمندان موفق به ساخت ابزاری برای مطالعه تشعشعات رادیویی اجرام نجومی به روشی خاص شدند. تشعشعات پس زمینه مایکروویو کیهانی، که به عنوان شواهدی از انفجار بزرگ در آغاز جهان شناخته می شود، از طریق نجوم رادیویی کشف شد. تلسکوپ های رادیویی و نجوم رادیویی ستاره شناسان در سراسر جهان از تلسکوپ های رادیویی برای مشاهده امواج رادیویی طبیعی که از ستاره ها، سیارات، کهکشان ها، ابرهای غبار و مولکول های گاز می آیند، استفاده می کنند. ستاره شناسان از روش ها و ابزارهای مختلفی برای مطالعه امواج در محدوده رادیویی استفاده می کنند. یکی از این ابزارهای معروف آنتن بزرگی است که شبیه بشقاب ماهواره است و به آن «رادیو تلسکوپ» می گویند. در حالی که برخی از تلسکوپ های رادیویی تنها یک بشقاب بزرگ دارند، برخی از آنها آرایه های غول پیکری از بسیاری از ظروف هستند که روی هم چیده شده اند. این مجموعه از تلسکوپ ها از تکنیک های تداخل سنجی رادیویی استفاده می کند. این آرایه به اخترشناسان کمک می کند تا داده های رادیویی و تصاویر دقیق از اجرام دور در این محدوده طول موج بدست آورند. سیگنال های رادیویی که این تلسکوپ ها جمع آوری می کنند به داده هایی تبدیل می شوند که می توان از آنها برای ایجاد تصاویر استفاده کرد. در واقع داده ها با تکنیک های مختلف رنگ آمیزی می شوند و به تصاویر رنگی تبدیل می شوند تا ویژگی های مختلف جسم مانند دما را نمایش دهند. محدودیت های نجوم رادیویی اخترشناسان رادیویی از تکنیک های مختلفی برای مشاهده اجرام در طیف رادیویی استفاده می کنند. ابزارها ممکن است به سادگی یک جرم آسمانی را به عنوان منبع رادیویی پرانرژی مورد هدف قرار دهند و داده های جمع آوری شده از آن را تجزیه و تحلیل کنند. با این حال، به خاطر داشته باشید که مشاهدات از سطح زمین محدود به طول موج هایی است که می توانند از جو زمین عبور کنند. در طول موج های بلند، لایه یونوسفر جو زمین مشکل ساز می شود. وقتی به امواج رادیویی با طول موج های بسیار بلند می رسیم، بخار آب موجود در یونوسفر با امواج رادیویی تداخل پیدا می کند. به همین دلیل، ستاره شناسان در حال ساخت رصدخانه های رادیویی هستند که طول موج های کوتاه تر امواج رادیویی را مطالعه می کنند. این رصدخانه ها که در طول موج های میلی متری کار می کنند، در مناطق خشک و با ارتفاع زیاد ساخته شده اند تا میزان بخار آب در خط دید را به حداقل برسانند. از طرفی منابع امواج رادیویی روی زمین که برای زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند نیز می توانند باعث ایجاد تداخل در امواج رادیویی شوند. به همین دلیل، بسیاری از رصدخانه های رادیویی در مکان های دور از سکونت انسان ساخته شده اند. معروف ترین تلسکوپ های رادیویی جهان همانطور که گفتیم تلسکوپ های رادیویی در دنیا یا به صورت تکی – تک دیش هایی با ابعاد بسیار بزرگ – و یا در آرایه هایی از چندین رادیو تلسکوپ نصب می شوند تا میزان داده های ورودی را افزایش دهند. در مقاله زیر با تعدادی از بزرگترین تلسکوپ های رادیویی جهان و بزرگترین آرایه های تلسکوپ رادیویی آشنا می شویم. تلسکوپ رادیویی منفرد بزرگترین تلسکوپ رادیویی منفرد جهان «تلسکوپ کروی با دیافراگم پانصد متری» نام دارد که به اختصار «FAST» نامیده می شود. این تلسکوپ که در دره ای طبیعی در استان گوئیژو چین قرار دارد در سال 2016 تکمیل شد و به دلیل اندازه بسیار بزرگ می تواند اجرام را در فواصل بسیار دور رصد کند. بازتابنده کروی این ابر تلسکوپ رادیویی 305 متر قطر دارد که با همکاری دانشگاه کرنل آمریکا ساخته شده است. «RATAN-600» نام تلسکوپ رادیویی دیگری است که بسیار معروف است. این رادیو تلسکوپ روسی دارای صفحه بازتابی به قطر 895 متر است و در نزدیکی رشته کوه های قفقاز قرار دارد. محققانی از استرالیا، فرانسه، هند، ایتالیا، روسیه و اوکراین برای ساخت چنین تلسکوپ عظیم و قدرتمندی همکاری کرده اند. علاوه بر این، رکورد بزرگترین تلسکوپ رادیویی تمام اتوماتیک به GBT می رسد که مخفف Robert C. Byrd Green Bank است. این تلسکوپ عظیم در ویرجینیای غربی قرار دارد و از سال 2000 شروع به کار کرده است. GBT که در طول موج های کوتاه چند میلی متری عمل می کند، حدود 7.3 میلیون کیلوگرم وزن دارد! آرایه تلسکوپ رادیویی بزرگترین و مشهورترین آرایه تلسکوپ های رادیویی در جهان “آرایه بسیار بزرگ” نام دارد که به اختصار “VLA” نامیده می شود. به گفته کارشناسان، این آرایه ترکیبی از حساسیت بالا، وضوح و تطبیق پذیری است. VLA از 27 ظرف با قطر 25 متر تشکیل شده است. این مجموعه خاص و قدرتمند در مرکز نیومکزیکو در آمریکا قرار دارد و هر ساله به بیش از 1500 ستاره شناس و ستاره شناس اجازه می دهد تا تحقیقات خود را انجام دهند. از این تلسکوپ ها برای مطالعه منظومه شمسی، کهکشان راه شیری، ستارگان، تپ اخترها، گازهای اتمی و مولکولی راه شیری و دیگر کهکشان ها استفاده می شود. از دیگر آرایه های تلسکوپ رادیویی در جهان می توان به “Westerbork” ساخت هلند اشاره کرد که از 14 ظرف به قطر 25 متر تشکیل شده است. از سوی دیگر، ستاره شناسان هندی تلسکوپ رادیویی غول پیکر «GMRT» را نیز در نزدیکی منطقه ای به نام «پونا» در هند ساخته اند که داده های کیهان را در طول موج های 20 سانتی متر تا 6 متر جمع آوری می کند. تلسکوپ های رادیویی چگونه کار می کنند؟ درست همانطور که یک رادیو را روی یک ایستگاه خاص تنظیم می کنید، ستاره شناسان رادیویی می توانند تلسکوپ های خود را تنظیم کنند تا امواج رادیویی را از کیهان میلیون ها سال نوری پیش بگیرند. در واقع تلسکوپ‌های رادیویی ابزاری برای جمع‌آوری این مجموعه داده‌ها و سپس تبدیل آن به سیگنال‌هایی با استفاده از برنامه‌ریزی پیچیده رایانه‌ای هستند که می‌تواند در مطالعه تولد و مرگ ستارگان، شکل‌گیری کهکشان‌ها و انواع مختلف ماده در کیهان مفید باشد. یک تلسکوپ رادیویی از چه اجزایی تشکیل شده است؟ یک تلسکوپ رادیویی در ساده ترین شکل خود دارای سه جزء زیر است: یک یا چند آنتن که برای جمع آوری امواج رادیویی استفاده می شود. یک گیرنده و تقویت کننده برای تقویت سیگنال های رادیویی بسیار ضعیف. و یک ضبط کننده برای ضبط سیگنال های دریافتی. در چه زمانی از روز از تلسکوپ های رادیویی استفاده می شود؟ جالب است بدانید که تلسکوپ های رادیویی هم در روز و هم در شب قابل استفاده هستند. ستاره شناسان رادیویی در واقع قادر به مشاهده جهان نامرئی هستند.

دیدگاهتان را بنویسید