علم الفلك الراديوي

علم الفلك الراديوي هو فرع من علم الفلك يدرس الأجرام السماوية باستخدام الموجات الراديوية . بدأ هذا العلم عام ١٩٣٣، عندما أبلغ كارل جانسكي في مختبرات بيل للهاتف عن إشعاع قادم من مجرة ​​درب التبانة . وقد حددت الملاحظات اللاحقة عددًا من المصادر المختلفة للانبعاثات الراديوية، بما في ذلك النجوم والمجرات ، بالإضافة إلى فئات جديدة تمامًا من الأجرام، مثل المجرات الراديوية ، والكوازارات ، والنجوم النابضة ، والميزرات . وقد تم اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، الذي يُعتبر دليلًا على نظرية الانفجار العظيم ، من خلال علم الفلك الراديوي.

يُجرى علم الفلك الراديوي باستخدام هوائيات راديوية كبيرة تُعرف بالتلسكوبات الراديوية ، والتي تُستخدم إما منفردة أو مع تلسكوبات متعددة متصلة ببعضها البعض باستخدام تقنيات التداخل الراديوي وتوليف الفتحة . يُمكّن استخدام التداخل علم الفلك الراديوي من تحقيق دقة زاوية عالية ، حيث تُحدد قدرة التمييز للمقياس التداخلي بالمسافة بين مكوناته، وليس بحجم هذه المكونات.

يختلف علم الفلك الراديوي عن علم الفلك الراداري في أن الأول هو رصد سلبي (أي الاستقبال فقط) والأخير هو رصد نشط (الإرسال والاستقبال).

قبل أن يرصد كارل جانسكي مجرة ​​درب التبانة في ثلاثينيات القرن العشرين، تكهن الفيزيائيون بإمكانية رصد الموجات الراديوية من مصادر فلكية. ^{[ 1 ]}

في ستينيات القرن التاسع عشر، أظهرت معادلات جيمس كلارك ماكسويل أن الإشعاع الكهرومغناطيسي مرتبط بالكهرباء والمغناطيسية ، ويمكن أن يوجد عند أي طول موجي . وعلى مدى العقود القليلة التالية، بُذلت عدة محاولات لاحقة للكشف عن الانبعاثات الراديوية من الشمس ، ولكن دون جدوى بسبب القيود التقنية للأجهزة. ^{[ 1 ]}

في عام 1896، حاول عالما الفيزياء الفلكية الألمانيان يوهانس ويلسينغ ويوليوس شاينر اكتشاف الانبعاثات الراديوية الشمسية. ^{[ 1 ]}

بين عامي 1897 و 1900، حاول جهاز إشعاع الموجات السنتيمترية الذي أنشأه أوليفر لودج أيضًا اكتشاف الانبعاثات الراديوية الشمسية. ^{[ 1 ]}

في عام 1902، وبعد اكتشاف طبقة الأيونوسفير العاكسة للموجات الراديوية ، استنتج الفيزيائيون أن هذه الطبقة سترتد أي موجات راديوية شمسية أو فلكية أخرى إلى الفضاء، مما يجعلها غير قابلة للكشف. ^{[ 1 ]}

في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف كارل جانسكي أول مصدر راديوي فلكي بالصدفة . وبصفته مهندس راديو حديث التعيين في مختبرات بيل للهواتف ، كُلِّف بمهمة التحقيق في التشويش الذي قد يتداخل مع عمليات الإرسال الصوتي عبر المحيط الأطلسي باستخدام الموجات القصيرة . وباستخدام هوائي اتجاهي كبير ، لاحظ جانسكي أن نظام التسجيل التناظري الخاص به ، الذي يعتمد على القلم والورق، يسجل باستمرار إشارة متكررة أو "أزيزًا" مجهول المصدر. ولأن الإشارة كانت تبلغ ذروتها كل 24 ساعة تقريبًا، اشتبه جانسكي في البداية أن مصدر التداخل هو الشمس التي تعبر مجال رؤية هوائيه الاتجاهي. إلا أن التحليلات اللاحقة أظهرت أن المصدر لا يتبع دورة الشمس اليومية التي تستغرق 24 ساعة بدقة، بل يتكرر في دورة مدتها 23 ساعة و56 دقيقة. ناقش جانسكي هذه الظاهرة المحيرة مع صديقه، عالم الفيزياء الفلكية ألبرت ملفين سكيلت، الذي أشار إلى أن الوقت المرصود بين ذروات الإشارة كان هو الطول الدقيق لليوم النجمي : الوقت الذي تستغرقه الأجرام الفلكية "الثابتة"، مثل النجوم، للمرور أمام الهوائي في كل مرة تدور فيها الأرض. ^{[ 2 ]}

من خلال مقارنة ملاحظاته بالخرائط الفلكية البصرية، خلص جانسكي في النهاية إلى أن مصدر الإشعاع بلغ ذروته عندما كان هوائيه موجهًا نحو الجزء الأكثر كثافة من مجرة ​​درب التبانة في كوكبة القوس . ^{[ 3 ]}

في أبريل 1933، أعلن جانسكي عن اكتشافه في اجتماع في واشنطن العاصمة، ومن هنا وُلد مجال علم الفلك الراديوي. ^{[ 4 ]}

في أكتوبر 1933، نُشر اكتشاف جانسكي في مقالة في مجلة بعنوان "اضطرابات كهربائية ذات أصل خارج الأرض على ما يبدو" في وقائع معهد مهندسي الراديو . ^{[ 5 ]}

وخلص جانسكي إلى أنه بما أن الشمس (وبالتالي النجوم الأخرى) ليست مصادر كبيرة للضوضاء الراديوية، فإن التداخل الراديوي الغريب قد يكون ناتجًا عن الغاز والغبار بين النجوم في المجرة، وتحديدًا عن "الاضطراب الحراري للجسيمات المشحونة". ^{[ 2 ] [ 6 ]}

بعد عام 1935، رغب جانسكي في دراسة الموجات الراديوية القادمة من مجرة ​​درب التبانة بمزيد من التفصيل، لكن مختبرات بيل أعادت تكليفه بمشروع آخر، فلم يقم بأي عمل إضافي في مجال علم الفلك. وقد تم تكريم جهوده الرائدة في مجال علم الفلك الراديوي بتسمية الوحدة الأساسية لكثافة التدفق ، وهي وحدة جانسكي (Jy)، باسمه. ^{[ 7 ]}

في عام 1937، قام هاوي الراديو غروت ريبر ، مستلهماً من عمل جانسكي، ببناء تلسكوب راديوي مكافئ قطره 9 أمتار (30 قدماً) في فناء منزله الخلفي في ويتون، إلينوي. بدأ بتكرار ملاحظات جانسكي، ثم أجرى أول مسح للسماء في الترددات الراديوية. ^{[ 8 ]} 

في 27 فبراير 1942، رصد جيمس ستانلي هاي ، ضابط أبحاث في الجيش البريطاني ، أول موجات راديوية منبعثة من الشمس. ^{[ 9 ]} وفي وقت لاحق من ذلك العام، رصد جورج كلارك ساوثوورث ، ^{[ 10 ]} في مختبرات بيل ، كما فعل جانسكي، موجات راديوية من الشمس أيضًا. ولأن كلا الباحثين كانا مُلزمين بإجراءات الأمن في زمن الحرب المتعلقة بالرادار، فقد نشر ريبر، الذي لم يكن مُلزمًا بها، نتائجه التي توصل إليها عام 1944 أولًا. ^{[ 11 ]} واكتشف العديد من الأشخاص الآخرين بشكل مستقل موجات راديوية شمسية، بمن فيهم إي. شوت في الدنمارك ^{[ 12 ]} وإليزابيث ألكسندر التي كانت تعمل في جزيرة نورفولك . ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

في خمسينيات القرن العشرين، سُمّي مصدر جانسكي الراديوي الأبرز، وهو من ألمع المصادر في السماء، باسم القوس أ ، وافتُرض لاحقًا أنه ينبعث من إلكترونات في مجال مغناطيسي قوي. ويُعتقد حاليًا أن هذه الجسيمات أيونات تدور حول ثقب أسود هائل في مركز المجرة عند نقطة تُعرف الآن باسم القوس أ*. تشير العلامة النجمية إلى أن الجسيمات في القوس أ متأينة. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

في خمسينيات القرن العشرين، في جامعة كامبريدج ، حيث أُجريت أبحاث الغلاف الأيوني خلال الحرب العالمية الثانية ، أنشأ جيه. إيه. راتكليف، إلى جانب أعضاء آخرين من مؤسسة أبحاث الاتصالات التي أجرت أبحاثًا في زمن الحرب حول الرادار ، مجموعةً لعلم الفيزياء الراديوية في الجامعة، حيث رُصدت ودُرست انبعاثات الموجات الراديوية من الشمس. وسرعان ما توسعت هذه الأبحاث المبكرة لتشمل رصد مصادر راديوية سماوية أخرى، وطُورت تقنيات قياس التداخل لعزل المصدر الزاوي للانبعاثات المكتشفة. وطوّر مارتن رايل وأنتوني هيويش، في مجموعة كافنديش للفيزياء الفلكية، تقنية توليف فتحة دوران الأرض . وواصلت مجموعة علم الفلك الراديوي في كامبريدج مسيرتها لتأسيس مرصد مولارد لعلم الفلك الراديوي بالقرب من كامبريدج. ^{[ 21 ]}

خلال أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات، ومع تطور قدرات الحواسيب (مثل تيتان ) على معالجة عمليات تحويل فورييه العكسية المعقدة حسابيًا، استخدم العلماء تقنية تركيب الفتحة لإنشاء فتحة فعالة بحجم "ميل واحد" ( 1.6 كم ) ولاحقًا "5 كم " (3.1 ميل) باستخدام تلسكوبي "الميل الواحد" و"رايل" على التوالي. كما استخدموا مقياس التداخل في كامبريدج لرسم خريطة للسماء الراديوية، مما أدى إلى إصدار كتالوجي كامبريدج الثاني (2C) والثالث (3C) لمصادر الراديو. ^{[ 21 ]}     

يستخدم علماء الفلك الراديوي تقنيات مختلفة لرصد الأجرام في الطيف الراديوي. قد تُوجَّه الأجهزة ببساطة نحو مصدر راديوي عالي الطاقة لتحليل انبعاثاته. ولتصوير منطقة من السماء بتفاصيل أدق، يمكن تسجيل عمليات مسح متعددة متداخلة وتجميعها في صورة فسيفسائية . ويعتمد نوع الجهاز المستخدم على قوة الإشارة ومستوى التفاصيل المطلوبة.

تقتصر عمليات الرصد من سطح الأرض على الأطوال الموجية التي يمكنها اختراق الغلاف الجوي. عند الترددات المنخفضة أو الأطوال الموجية الطويلة، يكون الإرسال محدودًا بسبب طبقة الأيونوسفير ، التي تعكس الموجات ذات الترددات الأقل من تردد البلازما المميز لها . حتى الآن، أُجريت عمليات رصد راديوية بترددات منخفضة تصل إلى 15  ميجاهرتز. ^{[ 22 ]} يتداخل بخار الماء مع علم الفلك الراديوي عند الترددات العالية، مما أدى إلى بناء مراصد راديوية تُجري عمليات رصد بأطوال موجية مليمترية في مواقع مرتفعة وجافة جدًا لتقليل محتوى بخار الماء في خط الرؤية. أخيرًا، قد تتسبب أجهزة الإرسال على الأرض في تداخل الترددات الراديوية . لهذا السبب، تُبنى العديد من المراصد الراديوية في أماكن نائية.

قياس التداخل الراديوي

أدى صعوبة تحقيق دقة عالية باستخدام التلسكوبات الراديوية الفردية إلى ظهور تقنية قياس التداخل الراديوي ، التي طورها عالم الفلك الراديوي البريطاني مارتن رايل ، والمهندس وعالم الفيزياء الراديوية وعالم الفلك الراديوي الأسترالي جوزيف ليد باوزي ، وروبي باين-سكوت عام 1946. أُجري أول استخدام لمقياس التداخل الراديوي في رصد فلكي بواسطة باين-سكوت، وباوزي، وليندسي مككريدي في 26 يناير 1946، باستخدام هوائي رادار واحد مُعدّل (مصفوفة جانبية) بتردد 200 ميجاهرتز بالقرب من سيدني، أستراليا . استخدم هذا الفريق مبدأ مقياس التداخل المثبت على جرف بحري، حيث رصد الهوائي (الذي كان في الأصل رادارًا من الحرب العالمية الثانية) الشمس عند شروقها، مع رصد التداخل الناتج عن الإشعاع الشمسي المباشر والإشعاع المنعكس من البحر. وباستخدام هذه القاعدة التي يبلغ طولها حوالي 200 متر، توصل الباحثون إلى أن الإشعاع الشمسي خلال مرحلة الانفجار كان أصغر بكثير من قرص الشمس، وأنه ينشأ من منطقة مرتبطة بمجموعة كبيرة من البقع الشمسية . وضعت المجموعة الأسترالية مبادئ تركيب الفتحة في ورقة بحثية رائدة نُشرت عام 1947. وقد تم إثبات استخدام مقياس التداخل البحري من قبل العديد من المجموعات في أستراليا وإيران والمملكة المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية، والذين لاحظوا أهداب التداخل (إشعاع الرادار العائد المباشر والإشارة المنعكسة من البحر) من الطائرات القادمة.

رصدت مجموعة رايل وفونبرغ من جامعة كامبريدج الشمس  لأول مرة عند تردد 175 ميجاهرتز في منتصف يوليو 1946 باستخدام مقياس تداخل مايكلسون، الذي يتكون من هوائيين لاسلكيين بمسافات تتراوح بين عشرات الأمتار و240 مترًا. وأظهرت نتائجهم أن الإشعاع الراديوي كان أصغر من 10 دقائق قوسية ، كما رصدوا استقطابًا دائريًا في  الانفجارات من النوع الأول. وكانت مجموعتان أخريان قد رصدتا استقطابًا دائريًا في نفس الفترة تقريبًا ( ديفيد مارتن في أستراليا، وإدوارد أبلتون مع جيمس ستانلي هاي في المملكة المتحدة).

تتكون مقاييس التداخل الراديوي الحديثة من تلسكوبات راديوية متباعدة ترصد نفس الجسم، وهي متصلة ببعضها البعض باستخدام كابل محوري أو موجه موجي أو ألياف بصرية أو أي نوع آخر من خطوط النقل . لا يؤدي هذا إلى زيادة إجمالي الإشارة المُجمّعة فحسب، بل يمكن استخدامه أيضًا في عملية تُسمى توليف الفتحة لزيادة الدقة بشكل كبير. تعمل هذه التقنية عن طريق تراكب ( تداخل ) موجات الإشارة من التلسكوبات المختلفة، وذلك على أساس أن الموجات التي تتطابق في الطور تتجمع ، بينما تلغي الموجتان اللتان لهما أطوار متعاكسة بعضهما البعض. ينتج عن ذلك تلسكوب مُدمج بحجم الهوائيات الأبعد عن بعضها في المصفوفة. لإنتاج صورة عالية الجودة، يلزم وجود عدد كبير من المسافات المختلفة بين التلسكوبات المختلفة (تُسمى المسافة المُسقطة بين أي تلسكوبين كما تُرى من مصدر الراديو "خط الأساس") - يلزم وجود أكبر عدد ممكن من خطوط الأساس المختلفة للحصول على صورة جيدة الجودة. على سبيل المثال، تحتوي مصفوفة التلسكوبات الكبيرة جدًا (VLA) على 27 تلسكوبًا، مما يوفر 351 خط أساس مستقل في وقت واحد.

قياس التداخل ذو الخط الأساسي الطويل جدًا

ابتداءً من سبعينيات القرن الماضي، سمحت التحسينات في استقرار مستقبلات التلسكوبات الراديوية بدمج التلسكوبات من جميع أنحاء العالم (وحتى تلك الموجودة في مدار الأرض) لإجراء قياس التداخل ذي الخطوط الأساسية الطويلة جدًا . فبدلاً من توصيل الهوائيات فعليًا، تُقرن البيانات المُستقبلة في كل هوائي بمعلومات التوقيت، عادةً من ساعة ذرية محلية ، ثم تُخزن لتحليلها لاحقًا على شريط مغناطيسي أو قرص صلب. وفي ذلك الوقت، تُربط البيانات ببيانات من هوائيات أخرى سُجلت بنفس الطريقة، لإنتاج الصورة الناتجة. وباستخدام هذه الطريقة، يُمكن تركيب هوائي بحجم الأرض تقريبًا. وتُمكّن المسافات الكبيرة بين التلسكوبات من تحقيق دقة زاوية عالية جدًا، أعلى بكثير في الواقع من أي مجال آخر في علم الفلك. وعند أعلى الترددات، يُمكن الحصول على حزم مُركبة بدقة أقل من 1 ملي ثانية قوسية .

تُعدّ مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا (VLBI ) (التي تضم تلسكوبات موزعة في أنحاء أمريكا الشمالية) وشبكة VLBI الأوروبية (التي تضم تلسكوبات في أوروبا والصين وجنوب إفريقيا وبورتوريكو) من أبرز مصفوفات VLBI العاملة حاليًا. تعمل كل مصفوفة عادةً بشكل منفصل، ولكن تُجرى أحيانًا عمليات رصد مشتركة بين مشاريع مختلفة، مما يُحسّن الحساسية. ويُشار إلى هذا النوع من الرصد باسم VLBI العالمي. كما توجد شبكات VLBI عاملة في أستراليا ونيوزيلندا تُسمى LBA (مصفوفة خط الأساس الطويل)، ^{[ 23 ]} ومصفوفات أخرى في اليابان والصين وكوريا الجنوبية تُرصد معًا لتشكيل شبكة VLBI لشرق آسيا (EAVN). ^{[ 24 ]}

منذ بدايتها، كان تسجيل البيانات على وسائط تخزين صلبة هو السبيل الوحيد لجمع البيانات المسجلة في كل تلسكوب لإجراء مقارنات لاحقة. إلا أن توفر الشبكات العالمية عالية النطاق الترددي اليوم يُتيح إجراء تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI) في الوقت الفعلي. وقد طُوّرت هذه التقنية (المعروفة باسم e-VLBI) في اليابان، ثم اعتُمدت مؤخرًا في أستراليا وأوروبا من قِبل الشبكة الأوروبية للتداخل الراديوي طويل المدى (EVN)، التي تُنفّذ عددًا متزايدًا من مشاريع e-VLBI العلمية سنويًا. ^{[ 25 ]}

أدى علم الفلك الراديوي إلى زيادة كبيرة في المعرفة الفلكية، لا سيما مع اكتشاف فئات عديدة من الأجرام الجديدة، بما في ذلك النجوم النابضة ، والكوازارات ^{[ 26 ]} ، والمجرات الراديوية . ويعود ذلك إلى أن علم الفلك الراديوي يُمكّننا من رؤية أشياء لا يمكن رصدها في علم الفلك البصري. وتمثل هذه الأجرام بعضًا من أكثر العمليات الفيزيائية تطرفًا وطاقةً في الكون.

تم رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي لأول مرة باستخدام التلسكوبات الراديوية. ومع ذلك، فقد استُخدمت التلسكوبات الراديوية أيضًا لدراسة أجرام سماوية أقرب بكثير إلى الأرض، بما في ذلك رصد الشمس والنشاط الشمسي، ورسم خرائط الكواكب باستخدام الرادار .

وتشمل المصادر الأخرى ما يلي:

• شمس
• كوكب المشتري
• القوس أ ، مركز مجرة ​​درب التبانة ، مع جزء يُعتقد أن القوس أ* عبارة عن ثقب أسود فائق الكتلة ينبعث منه موجات راديوية
• تحتوي النوى المجرية النشطة والنجوم النابضة على نفاثات من الجسيمات المشحونة التي تُصدر إشعاع السنكروترون
• غالباً ما تُظهر تجمعات المجرات المندمجة انبعاثات راديوية منتشرة ^{[ 27 ]}
• يمكن أن تُظهر بقايا المستعرات العظمى أيضًا انبعاثات راديوية منتشرة؛ والنجوم النابضة هي نوع من بقايا المستعرات العظمى التي تُظهر انبعاثات متزامنة للغاية.
• الخلفية الكونية الميكروية هي انبعاثات راديوية/ميكروية ناتجة عن جسم أسود

إشارة الراديو للأرض طبيعية في الغالب وأقوى من إشارة كوكب المشتري على سبيل المثال، ولكنها تنتج عن الشفق القطبي للأرض وترتد عند طبقة الأيونوسفير عائدة إلى الفضاء. ^{[ 28 ]}

تُعرَّف خدمة علم الفلك الراديوي (وتُسمى أيضًا: خدمة الاتصالات الراديوية لعلم الفلك الراديوي ) وفقًا للمادة 1.58 من لوائح الراديو الصادرة ^عن الاتحاد الدولي للاتصالات ^{[ 29} ] بأنها " خدمة اتصالات راديوية تتضمن استخدام علم الفلك الراديوي". وتتمثل مهمة هذه الخدمة في استقبال الموجات الراديوية المنبعثة من الأجرام السماوية .

• مصفوفة أتاكاما المليمترية الكبيرة
• مصفوفة الموجات دون المليمترية
• القناة 37
• علم فلك أشعة غاما
• علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء
• علم الفلك الراداري
• تشويش زمني
• علم الفلك بالأشعة السينية
• موجات ( جونو ) (جهاز راديو على متن مركبة جونو المدارية حول كوكب المشتري)
• حديقة حيوانات راديو جالاكسي
• رادار فورتسبورغ# الاستخدام في علم الفلك بعد الحرب

• nrao.edu المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي
• تاريخ علم الفلك الراديوي * تلسكوب ريبر الراديوي - خدمات المتنزهات الوطنية
• تطوير تلسكوب راديوي - نبذة تاريخية من مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا
• جمعية هواة علم الفلك الراديوي
• عرض بيانات التلسكوب الراديوي باستخدام جوجل إيرث
• UnwantedEmissions.com مرجع عام لتخصيصات طيف الراديو، بما في ذلك علم الفلك الراديوي.
• تحسين صور علم الفلك الراديوي من خلال معالجة المصفوفات (مؤرشف بتاريخ 4 أبريل 2011 في أرشيف الإنترنت )
• ما هو علم الفلك الراديوي؟ - مختبر علم الفلك الراديوي
• صورة: تلسكوب راديوي مجاني الاستخدام