تلسكوب راديوي

التلسكوب الراديوي هو هوائي متخصص وجهاز استقبال راديو يستخدم للكشف عن الموجات الراديوية من مصادر الراديو الفلكية في السماء. ^{[1] [2] [3]} التلسكوبات الراديوية هي أداة المراقبة الرئيسية المستخدمة في علم الفلك الراديوي ، والتي تدرس جزء التردد الراديوي من الطيف الكهرومغناطيسي المنبعث من الأجسام الفلكية، تمامًا كما أن التلسكوبات البصرية هي أداة المراقبة الرئيسية المستخدمة في علم الفلك البصري التقليدي الذي يدرس جزء الموجة الضوئية من الطيف القادم من الأجسام الفلكية. على عكس التلسكوبات البصرية، يمكن استخدام التلسكوبات الراديوية في النهار وكذلك في الليل.

نظرًا لأن مصادر الراديو الفلكية مثل الكواكب والنجوم والسدم والمجرات بعيدة جدًا، فإن الموجات الراديوية القادمة منها ضعيفة للغاية، لذلك تتطلب التلسكوبات الراديوية هوائيات كبيرة جدًا لجمع طاقة راديوية كافية لدراستها، ومعدات استقبال حساسة للغاية. عادةً ما تكون التلسكوبات الراديوية عبارة عن هوائيات مكافئة كبيرة ( " طبق ") مماثلة لتلك المستخدمة في تتبع الأقمار الصناعية ومسبارات الفضاء والتواصل معها. يمكن استخدامها بشكل فردي أو ربطها معًا إلكترونيًا في مجموعة. يتم وضع المراصد الراديوية بشكل تفضيلي بعيدًا عن المراكز السكانية الرئيسية لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) من الراديو والتلفزيون والرادار والمركبات الآلية والأجهزة الإلكترونية الأخرى من صنع الإنسان .

تم اكتشاف الموجات الراديوية من الفضاء لأول مرة بواسطة المهندس كارل جوتي جانسكي في عام 1932 في مختبرات بيل للهاتف في هولمديل، نيو جيرسي باستخدام هوائي تم بناؤه لدراسة ضوضاء جهاز الاستقبال اللاسلكي. كان أول تلسكوب لاسلكي تم بناؤه لهذا الغرض عبارة عن طبق مكافئ بطول 9 أمتار بناه هواة الراديو جروت ريبر في حديقته الخلفية في ويتون، إلينوي في عام 1937. غالبًا ما يُعتبر مسح السماء الذي أجراه بداية مجال علم الفلك الراديوي.

تم بناء أول هوائي راديو يستخدم لتحديد مصدر راديو فلكي بواسطة كارل جوتي جانسكي ، وهو مهندس في مختبرات بيل للهاتف ، في عام 1932. تم تكليف جانسكي بمهمة تحديد مصادر الكهرباء الساكنة التي قد تتداخل مع خدمة الهاتف اللاسلكي . كان هوائي جانسكي عبارة عن مجموعة من ثنائيات الأقطاب والعاكسات المصممة لاستقبال إشارات الراديو ذات الموجة القصيرة بتردد 20.5 ميجا هرتز (طول الموجة حوالي 14.6 مترًا). تم تثبيته على طاولة دوارة سمحت له بالدوران في أي اتجاه، مما أكسبه اسم "دوامة جانسكي". كان قطره حوالي 100 قدم (30 مترًا) وارتفاعه 20 قدمًا (6 أمتار). من خلال تدوير الهوائي، يمكن تحديد اتجاه مصدر الراديو المتداخل المستقبل (الكهرباء الساكنة). يحتوي سقيفة صغيرة على جانب الهوائي على نظام تسجيل تناظري بالقلم والورق. بعد تسجيل الإشارات من جميع الاتجاهات لعدة أشهر، صنفها جانسكي في النهاية إلى ثلاثة أنواع من الثبات: العواصف الرعدية القريبة، والعواصف الرعدية البعيدة، وهسهسة خافتة ثابتة فوق ضوضاء الطلقات ، من أصل غير معروف. حدد جانسكي أخيرًا أن "الهسهسة الخافتة" تتكرر في دورة مدتها 23 ساعة و56 دقيقة. هذه الفترة هي طول اليوم النجمي الفلكي ، وهو الوقت الذي يستغرقه أي جسم "ثابت" يقع على الكرة السماوية للعودة إلى نفس الموقع في السماء. وبالتالي اشتبه جانسكي في أن الهسهسة نشأت خارج النظام الشمسي ، ومن خلال مقارنة ملاحظاته بالخرائط الفلكية البصرية، استنتج جانسكي أن الإشعاع كان قادمًا من مجرة ​​درب التبانة وكان أقوى في اتجاه مركز المجرة، في كوكبة القوس .

كان جروت ريبر ، وهو عامل راديو هاوٍ ، أحد رواد ما أصبح يُعرف بعلم الفلك الراديوي . فقد بنى أول تلسكوب راديوي على شكل طبق مكافئ، بقطر 9 أمتار (30 قدمًا)، في فنائه الخلفي في ويتون، إلينوي عام 1937. وكرر عمل جانسكي الرائد، حيث حدد مجرة ​​درب التبانة كأول مصدر راديو خارج العالم، واستمر في إجراء أول مسح للسماء بترددات راديو عالية جدًا ، واكتشف مصادر راديو أخرى. أدى التطور السريع للرادار خلال الحرب العالمية الثانية إلى إنشاء تقنية تم تطبيقها على علم الفلك الراديوي بعد الحرب، وأصبح علم الفلك الراديوي فرعًا من علم الفلك، حيث قامت الجامعات ومعاهد البحث ببناء تلسكوبات راديوية كبيرة. ^[4]

إن نطاق الترددات في الطيف الكهرومغناطيسي الذي يشكل الطيف الراديوي كبير جدًا. ونتيجة لذلك، فإن أنواع الهوائيات المستخدمة كمراصد راديوية تختلف على نطاق واسع في التصميم والحجم والتكوين. عند أطوال موجية تتراوح من 30 مترًا إلى 3 أمتار (10-100 ميجا هرتز)، تكون عادةً إما مجموعات هوائيات اتجاهية تشبه "هوائيات التلفزيون" أو عاكسات ثابتة كبيرة ذات نقاط محورية متحركة. نظرًا لأن الأطوال الموجية التي يتم رصدها باستخدام هذه الأنواع من الهوائيات طويلة جدًا، يمكن إنشاء أسطح "العاكس" من شبكة سلكية خشنة مثل سلك الدجاج . ^{[5] [6]} عند الأطوال الموجية الأقصر، تسود هوائيات "الطبق" المكافئة . يتم تحديد الدقة الزاوية لهوائي الطبق من خلال نسبة قطر الطبق إلى طول موجة الموجات الراديوية التي يتم رصدها. هذا يملي حجم الطبق الذي يحتاجه التلسكوب الراديوي للحصول على دقة مفيدة. عادةً ما يزيد قطر التلسكوبات الراديوية التي تعمل عند أطوال موجية تتراوح بين 3 أمتار إلى 30 سم (100 ميجا هرتز إلى 1 جيجا هرتز) عن 100 متر. أما التلسكوبات التي تعمل عند أطوال موجية أقصر من 30 سم (أعلى من 1 جيجا هرتز) فيتراوح قطرها بين 3 إلى 90 مترًا. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

إن الاستخدام المتزايد للترددات الراديوية في الاتصالات يجعل الرصد الفلكي أكثر صعوبة (انظر الطيف المفتوح ). يتم تنسيق المفاوضات للدفاع عن تخصيص الترددات لأجزاء الطيف الأكثر فائدة لمراقبة الكون في اللجنة العلمية لتخصيص الترددات لعلم الفلك الراديوي وعلوم الفضاء.

تتضمن بعض نطاقات التردد الأكثر شهرة والتي تستخدمها التلسكوبات الراديوية ما يلي:

• كل تردد في المنطقة الهادئة للإذاعة الوطنية بالولايات المتحدة
• القناة 37 : 608 إلى 614 ميجا هرتز
• " خط الهيدروجين "، المعروف أيضًا باسم "خط 21 سنتيمترًا": 1,420.40575177 ميجا هرتز، يستخدمه العديد من التلسكوبات الراديوية بما في ذلك The Big Ear في اكتشافه لإشارة Wow!
• 1,406 ميجا هرتز و 430 ميجا هرتز ^[7]
• حفرة المياه : 1,420 إلى 1,666 ميجا هرتز
• كان مرصد أريسيبو يحتوي على عدة أجهزة استقبال تغطي معًا كامل النطاق من 1 إلى 10 جيجاهيرتز.
• قام مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية برسم خريطة الإشعاع الخلفي الكوني للموجات الميكروية في 5 نطاقات تردد مختلفة، تتركز عند 23 جيجاهرتز، و33 جيجاهرتز، و41 جيجاهرتز، و61 جيجاهرتز، و94 جيجاهرتز.

أكبر تلسكوب راديوي بفتحة مملوءة (أي طبق كامل) في العالم هو تلسكوب كروي بفتحة خمسمائة متر (FAST) تم الانتهاء منه في عام 2016 من قبل الصين . ^[8] تم بناء الطبق الذي يبلغ قطره 500 متر (1600 قدم) بمساحة تصل إلى 30 ملعبًا لكرة القدم في منخفض كارست طبيعي في المناظر الطبيعية في مقاطعة قويتشو ولا يمكن تحريكه ؛ يوجد هوائي التغذية في كابينة معلقة فوق الطبق على الكابلات. يتكون الطبق النشط من 4450 لوحة متحركة يتم التحكم فيها بواسطة جهاز كمبيوتر. من خلال تغيير شكل الطبق وتحريك كابينة التغذية على كابلاتها، يمكن توجيه التلسكوب ليشير إلى أي منطقة من السماء حتى 40 درجة من سمت الرأس. على الرغم من أن قطر الطبق 500 متر، إلا أن منطقة دائرية بقطر 300 متر فقط على الطبق تضاء بواسطة هوائي التغذية في أي وقت معين، وبالتالي فإن الفتحة الفعالة الفعلية هي 300 متر. بدأ البناء في عام 2007 واكتمل في يوليو 2016 ^[9] وبدأ التلسكوب العمل في 25 سبتمبر 2016. ^[10]

كان ثاني أكبر تلسكوب ذي فتحة مملوءة في العالم هو تلسكوب أريسيبو الراديوي الواقع في أريسيبو، بورتوريكو ، على الرغم من تعرضه لانهيار كارثي في ​​1 ديسمبر 2020. كان أريسيبو أحد التلسكوبات الراديوية القليلة في العالم القادرة أيضًا على التصوير الراداري النشط (أي الإرسال) للأجسام القريبة من الأرض (انظر: علم الفلك الراداري )؛ تستخدم معظم التلسكوبات الأخرى الكشف السلبي، أي الاستقبال فقط. كان أريسيبو تلسكوبًا آخر ذو طبق ثابت مثل FAST. تم بناء طبق أريسيبو الذي يبلغ طوله 305 م (1001 قدم) في منخفض طبيعي في المناظر الطبيعية، وكان الهوائي قابلاً للتوجيه بزاوية حوالي 20 درجة من السمت عن طريق تحريك هوائي التغذية المعلق ، مما يتيح استخدام جزء قطره 270 مترًا من الطبق لأي ملاحظة فردية.

أكبر تلسكوب راديوي فردي من أي نوع هو RATAN-600 الموجود بالقرب من نيجني أرخيز ، روسيا ، والذي يتكون من دائرة قطرها 576 مترًا من عاكسات الراديو المستطيلة، يمكن توجيه كل منها نحو مستقبل مخروطي مركزي.

الأطباق الثابتة المذكورة أعلاه ليست قابلة للتوجيه بالكامل؛ لا يمكن توجيهها إلا إلى نقاط في منطقة من السماء بالقرب من السمت ، ولا يمكنها الاستقبال من مصادر بالقرب من الأفق. أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل هو تلسكوب جرين بانك 100 متر في غرب فرجينيا ، الولايات المتحدة، والذي تم بناؤه في عام 2000. أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل في أوروبا هو تلسكوب إيفلسبيرج 100 متر الراديوي بالقرب من بون ، ألمانيا، والذي يديره معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي ، والذي كان أيضًا أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل في العالم لمدة 30 عامًا حتى تم بناء هوائي جرين بانك. ^[11] ثالث أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل هو تلسكوب لوفيل الذي يبلغ قطره 76 مترًا في مرصد جودريل بانك في تشيشاير بإنجلترا، والذي اكتمل بناؤه عام 1957. رابع أكبر تلسكوبات راديوية قابلة للتوجيه بالكامل هي ستة أطباق بقطر 70 مترًا: ثلاثة منها روسية من طراز RT-70 ، وثلاثة في شبكة ناسا للفضاء العميق . ومن المتوقع أن يصبح تلسكوب تشيتاي الراديوي المخطط له ، والذي يبلغ قطره 110 أمتار (360 قدمًا)، أكبر تلسكوب راديوي أحادي الطبق قابل للتوجيه بالكامل في العالم عند اكتماله في عام 2028.

يحتوي التلسكوب الراديوي الأكثر شيوعًا على هوائي واحد يبلغ قطره حوالي 25 مترًا. يتم تشغيل العشرات من التلسكوبات الراديوية بهذا الحجم تقريبًا في المراصد الراديوية في جميع أنحاء العالم.

• 
  تلسكوب FAST الكروي ذو الفتحة 500 متر وقطره 500 متر ، قيد الإنشاء، الصين (2016)
• 
  تلسكوب جرين بانك بطول 100 متر ، جرين بانك، فيرجينيا الغربية، الولايات المتحدة الأمريكية، وهو أكبر طبق تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل (2002)
• 
  سباق 100 متر إيفلسبيرج ، في باد مونستيريفيل، ألمانيا (1971)
• 
  تلسكوب لوفيل الذي يبلغ طوله 76 مترًا ، مرصد جودريل بانك، إنجلترا (1957)
• 
  هوائي DSS 14 "Mars" بطول 70 مترًا في مجمع Goldstone Deep Space Communications ، صحراء موهافي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة (1958)
• 
  RT-70 Yevpatoria بطول 70 مترًا ، شبه جزيرة القرم، أول ثلاثة RT-70 في الاتحاد السوفييتي السابق، (1978)
• 
  70 متراً جالينكي RT-70 ، جالينكي، روسيا، الثاني من بين ثلاثة RT-70 في الاتحاد السوفييتي السابق، (1984)

منذ عام 1965، أطلق البشر ثلاثة تلسكوبات راديوية فضائية. الأول، KRT-10، تم ربطه بمحطة الفضاء المدارية ساليوت 6 في عام 1979. في عام 1997، أرسلت اليابان التلسكوب الثاني، HALCA . وأرسلت روسيا التلسكوب الأخير في عام 2011 والذي يسمى Spektr-R .

كان أحد أبرز التطورات في عام 1946 مع تقديم تقنية تسمى قياس التداخل الفلكي ، والتي تعني الجمع بين الإشارات من هوائيات متعددة بحيث تحاكي هوائيًا أكبر، من أجل تحقيق دقة أكبر. تتكون مقاييس التداخل الراديوية الفلكية عادةً إما من صفائف من الأطباق المكافئة (على سبيل المثال، تلسكوب الميل الواحد )، أو صفائف من الهوائيات أحادية البعد (على سبيل المثال، تلسكوب مرصد مولونجلو المركب ) أو صفائف ثنائية الأبعاد من ثنائيات الأقطاب متعددة الاتجاهات (على سبيل المثال، مجموعة النجوم النابضة لتوني هيويش ). جميع التلسكوبات في الصفيف منفصلة على نطاق واسع وعادة ما تكون متصلة باستخدام كابل متحد المحور أو موجه ضوئي أو ألياف بصرية أو نوع آخر من خطوط النقل . تسمح التطورات الحديثة في استقرار المذبذبات الإلكترونية الآن أيضًا بإجراء قياس التداخل من خلال التسجيل المستقل للإشارات في الهوائيات المختلفة، ثم ربط التسجيلات لاحقًا في بعض مرافق المعالجة المركزية. تُعرف هذه العملية باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI) . يزيد قياس التداخل من إجمالي الإشارة التي يتم جمعها، لكن غرضه الأساسي هو زيادة الدقة بشكل كبير من خلال عملية تسمى تركيب الفتحة . تعمل هذه التقنية عن طريق تراكب ( تداخل ) موجات الإشارة من التلسكوبات المختلفة على مبدأ أن الموجات التي تتزامن مع نفس الطور ستضاف إلى بعضها البعض بينما ستلغي الموجتان اللتان لهما طوران متعاكسان بعضهما البعض. يؤدي هذا إلى إنشاء تلسكوب مشترك يعادل في الدقة (وإن لم يكن في الحساسية) هوائيًا واحدًا قطره يساوي المسافة بين الهوائيات الأبعد في المصفوفة.

تتطلب الصورة عالية الجودة عددًا كبيرًا من الفواصل المختلفة بين التلسكوبات. يُطلق على الفصل المتوقع بين أي تلسكوبين، كما يُرى من مصدر الراديو، اسم خط الأساس. على سبيل المثال، تحتوي مجموعة التلسكوبات الكبيرة جدًا (VLA) بالقرب من سوكورو، نيو مكسيكو، على 27 تلسكوبًا مع 351 خط أساس مستقل في وقت واحد، مما يحقق دقة 0.2 ثانية قوسية عند أطوال موجية 3 سم. ^[12] حصلت مجموعة مارتن رايل في كامبريدج على جائزة نوبل في التداخل وتوليف الفتحة. ^[13] تم تطوير مقياس تداخل مرآة لويدز بشكل مستقل أيضًا في عام 1946 بواسطة مجموعة جوزيف باوسي في جامعة سيدني . ^[14] في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، رسم مقياس تداخل كامبريدج خريطة للسماء الراديوية لإنتاج مسوحات 2C و 3C الشهيرة لمصادر الراديو. ومن الأمثلة على مجموعة تلسكوبات الراديو الكبيرة المتصلة فعليًا تلسكوب الراديو العملاق Metrewave ، الواقع في بوني ، الهند . تم الانتهاء من أكبر مجموعة، وهي مجموعة الترددات المنخفضة (LOFAR) في عام 2012، وتقع في غرب أوروبا وتتكون من حوالي 81000 هوائي صغير في 48 محطة موزعة على مساحة تبلغ عدة مئات من الكيلومترات في القطر وتعمل بين أطوال موجية تتراوح بين 1.25 و30 مترًا. تم إنشاء أنظمة VLBI باستخدام معالجة ما بعد المراقبة بهوائيات تفصل بينها آلاف الأميال. كما تم استخدام مقاييس التداخل الراديوية للحصول على صور مفصلة للتباين والاستقطاب في الخلفية الكونية للميكروويف ، مثل مقياس التداخل CBI في عام 2004.

من المقرر أن يبدأ أكبر تلسكوب متصل فعليًا في العالم، وهو تلسكوب Square Kilometre Array (SKA)، عملياته في عام 2025.

لا يمكن ملاحظة العديد من الأجرام الفلكية بالضوء المرئي فحسب، بل إنها تصدر أيضًا إشعاعات بأطوال موجية راديوية . بالإضافة إلى مراقبة الأجرام النشطة مثل النجوم النابضة والنجوم الزائفة ، فإن التلسكوبات الراديوية قادرة على "تصوير" معظم الأجرام الفلكية مثل المجرات والسدم وحتى الانبعاثات الراديوية من الكواكب . [ ^{15] [16]}

• تركيب الفتحة
• Astropulse – الحوسبة الموزعة للبحث في أشرطة البيانات عن الثقوب السوداء البدائية والنجوم النابضة والكائنات خارج المجموعة الشمسية
• قائمة المراصد الفلكية
• قائمة التلسكوبات الراديوية
• قائمة أنواع التلسكوبات
• البحث عن ذكاء خارج الأرض
• تلسكوب
• تلسكوب الرادار

• رولفس، ك.، وويلسون، تي إل (2004). أدوات علم الفلك الراديوي. مكتبة علم الفلك والفيزياء الفلكية. برلين، ألمانيا: سبرينغر.
• أسيموف، آي . (1979). كتاب الحقائق لإسحاق أسيموف؛ مراقبو السماء . نيويورك: جروسيت ودنلاب. ص 390-399. ISBN 0-8038-9347-7 .