تلسکوپ رادیویی

در اوایل قرن هفدهم میلادی گالیله با ساختن تلسكوپ, چشم خود را به ابزاری مسلح نمود كه می توانست توانایی رصد او را افزایش دهد هر چند امروزه تلسكوپهایی به مراتب قویتر و حساستر از آنچه گالیله ساخته بود, طراحی و تولید می شوند, اما اصل موضوع هنوز تغییر نكرده است

در اوایل قرن هفدهم میلادی گالیله با ساختن تلسكوپ، چشم خود را به ابزاری مسلح نمود كه می‌توانست توانایی رصد او را افزایش دهد. هر چند امروزه تلسكوپهایی به مراتب قویتر و حساستر از آنچه گالیله ساخته بود، طراحی و تولید می‌شوند، اما اصل موضوع هنوز تغییر نكرده است. واقعیت این است كه باید نوری وجود داشته باشد تا تلسكوپ با جمع‌آوری و متمركز ساختن آن تصویری تهیه نماید.

جیمز كلارك ماكسول، فیزیكدان برجسته انگلیسی در قرن نوزدهم میلادی پی به ماهیت الكترومغناطیسی بودن نور برد. در واقع امواج الكترومغناطیسی تنها به نور محدود نمی‌شوند و طیف گسترده‌ای را در بر می‌گیرند، اما چشم ما فقط قادر به ایجاد تصویر از محدوده خاصی از این طیف گسترده‌ می‌باشد كه ما آن را نور می‌نامیم. برای مشاهده و درك سایر طول موجهای ارسال شده به جانب ما، احتیاج به ابزاری جهت جمع‌آوری، آنالیز و آشكارسازی آنها به شكل صوت یا تصویر داریم.

امواج الكترومغناطیسی طیف بسیار وسیعی از طول موجهای بسیار كوچك تا بسیار بزرگ را در بر‌می‌گیرند. این امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسیم‌بندی می‌كنند كه شامل امواج گاما با طول موجهایی كوچكتر از ۹-۱۰ سانتیمتر تا امواج رادیویی با طول موج بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر را شامل می‌شوند. همانطور كه در شكل بالا ملاحظه می‌شود محدوده امواج نوری كه قابل دیدن توسط چشم انسان می‌باشند، محدوده بسیار كوچكی از این طیف گسترده است. با حركت از سمت امواج رادیویی به سمت امواج گاما، همزمان با كاهش طول موج، فركانس آن و در نتیجه انرژی موج افزایش می‌یابد.

هنگامی كه رصد از سطح زمین انجام می‌گیرد، دریافت و آشكارسازی امواج الكترومغناطیسی با مشكلی روبرو می‌شود كه به اثرات جوّ غلیظ زمین مربوط می‌گردد. جوّ زمین تنها به محدوده امواج مرئی، مایكروویو و رادیویی، آن هم با جذب و پراكنده ساختن بسیار، اجازه عبور می‌دهد. از آن‌جاكه امواج مایكروویو بخشی از امواج رادیویی محسوب می‌شوند، مشاهده می‌شود كه با آشكارسازی محدوده وسیع امواج رادیویی گسیل شده از آسمان، راه دیگری برای رصد اجرام سماوی گشوده می‌شود.

اختر شناسان از سال ۱۹۳۱ كه كارل جانسكی (K.Jansky ) به طور اتفاقی رادیو تلسكوپ را كشف كرد، بارها و بارها به این نكته پی برده‌اند كه جهان بسیار فراتر از آن چیزی است كه چشم انسان قادر به دیدن آن است. با استفاده از رادیو تلسكوپ‌ها، آشكارسازهای زیر قرمز و ماورای بنفش و تلسكوپهای اشعه X و اشعه گاما جزئیات بسیار دقیقی از كیهان آشكار شده است و معلوم شد كه كیهان مملو از اجرام عجیبی همچون سیاهچاله‌ها و تپ‌اختر‌ها است كه نمی توان آنها را از ورای عدسی چشمی یك تلسكوپ نوری مشاهده كرد. در حقیقت هر قسمت از طیف الكترومغناطیس چیز های عجیب و منحصر به فردی را به اخترشناسان ارائه داده است.

ابزاری كه برای مشاهده رادیویی آسمان مورد استفاده قرار می‌گیرد را تلسكوپ رادیویی می‌نامند كه از نظر ساختار كلی بسیار شبیه یك رادیوی معمولی عمل می‌كند، بدین معنی كه همانند رادیوهای معمولی از یك آنتن، یك آمپلی فایر و یك آشكار‌ساز تشكیل شده ا‌ست. آنتن‌ها می‌توانند از یك آنتن ساده و معمولی نیم موج دو قطبی، نظیر آنچه در گیرنده‌های تلویزیونی استفاده می‌شود، تا آنتن‌های مجهز به بشقابهای عظیم ۳۰۰ متری باشند.

در تلسكوپهای رادیویی نیز همانند آنچه در مورد همتای نوری آنها صادق است، بزرگ بودن سطح جمع‌آوری كننده امواج از دو جنبه مفید می‌باشد.

اول آنكه توان جمع‌آوری امواج برای رصد منابع ضعیف و یا خیلی دور افزایش می‌یابد و دوم اینكه توان تفكیك نسبت مستقیمی با قطر بشقاب آنتن دارد. هر چه، قدرت تفكیك تلسكوپی بیشتر باشد، توانایی آن برای جداسازی جزییات تصویر افزایش خواهد یافت. قدرت تفكیك تلسكوپها رابطه تنگاتنگی با سطح جمع‌آوری كننده امواج و طول موج آنها دارد. هر جه سطح جمع‌آوری كننده بزرگتر و طول موج امواج الكترومغناطیسی كوچكتر باشند، قدرت تفكیك تلسكوپ افزایش می‌یابد. مشكل تلسكوپهای رادیویی از اینجا شروع می‌شود كه قدرت تفكیك یك تلسكوپ با طول موج دریافتی نسبت عكس دارد. تلسكوپهای رادیویی در مقابل همتایان نوری خود كه موظف به جمع‌آوری و آشكارسازی امواجی در محدوده طول موج ۴-۱۰ تا ۵-۱۰ سانتیمتر می‌باشند، می‌بایستی امواجی با دامنه وسیع طول موج، از یك میلیمتر تا چندین متر را جمع‌آوری نمایند. این امر باعث می‌شود كه توان تفكیك این گونه از تلسكوپها به شدت كاهش پیدا كند. برای مثال قدرت تفكیك یك تلسكوپ نوری ۵۰ سانتیمتری، ۲/۰ ثانیه قوسی است، در حالی كه قدرت تفكیك یك تلسكوپ رادیویی به خصوص، با همین قطر دهانه ۱۳۸ درجه خواهد بود. اگر بدانیم كه قرص كامل ماه در آسمان تنها ۵/۰ درجه قوسی است می‌فهمیم كه چنین تلسكوپی عملاً كارایی ندارد. چنین تلسكوپی ماه را اصلاً نمی‌تواند ببیند.

اما از سوی دیگر و باز هم به دلیل طول موجهای متفاوتی كه این دو گونه تلسكوپ در محدوده آنها رصد می‌نمایند، ساخت بشقابهای آنتن یك رادیو تلسكوپ بسیار ساده‌تر از ساخت یك آینه و یا عدسی است. صاف بودن سطح یك بازتاب كننده خوب، رابطه مستقیمی با طول موجِ امواجی دارد كه باید از سطح آن بازتابیده شوند. می‌توان فرض كرد، زمانی بازتاب كننده‌ای مورد قبول خواهد بود كه قطر یا ضخامت هیچكدام از خُلَل و فَرجهای روی آن از ۰۵/۰ طول موج مورد نظر بیشتر نباشد، بنابراین بشقاب آنتنی كه قرار است برای امواجی به طول موج حداقل ۲۰ سانتیمتر، ساخته شود، مجاز به داشتن ناهمواریهایی تا قطر ۱ سانتیمتر است. این مقدار ناهمواری كه برای بشقاب تلسكوپ رادیویی مجاز به شمار می‌رود، برای آینه یك تلسكوپ نوری فاجعه به حساب آمده و عملاً آن را غیر قابل استفاده می‌نماید.

به دلیل گفته شده است كه می‌توان رادیوتلسكوپهایی با یك بشقاب ۳۰۰ متری ساخت، كاری كه در مورد تلسكوپهای نوری به یك معجزه شباهت دارد. برای اینكه مقایسه‌ای كرده باشیم، بد نیست بدانید كه اگر می‌شد یك تلسكوپ نوری، با آینه ۳۰۰ متری ساخت، قادر بودیم ستاره شعرای یمانی را به وضوح و پرنوری یك قرص ماه كامل مشاهده نماییم.

مزیت عمده استفاده از امواج رادیویی برای مشاهده آسمان، این است كه حتی در نور روز و هوای ابری نیز می‌توان رصد را ادامه داد. در طول روز پخش نور خورشید توسط مولكولهای گازیِ جوّ زمین باعث می‌شود كه لایه‌ای روشن و آبی اطراف ما را احاطه كند. شدت روشنایی جوّ زمین در روز به حدی است كه از میان آن قادر به دیدن ستاره‌های كم فروغ بالای سرمان نمی‌شویم. تنها جرم پرنوری مانند خورشید و یا در بعضی زمانهای خاص، ماه نسبتاً كامل را می‌توان در طول روز رؤیت كرد. همچنین نور مرئی قادر به گذر از لایه‌های ضخیم و متراكم بخار آب نمی‌باشد. این موضوع به طول موج كوچك نور وابسته است. هیچكدام از مواردی كه یاد شد برای امواج رادیویی با طول موجهای بزرگی كه دارند مانع و یا مزاحم شناخته نمی‌شوند و عملیات رصد رادیویی پیوسته ادامه دارد.

در مورد تلسكوپهای رادیویی بسیار عظیم، نظیر رادیو تلسكوپ ۳۰۵ متری آرسیبو واقع در كشور پورتوریكو، یك مشكل اساسی وجود دارد و آن، این است كه حركت دادن چنین مجموعه عظیمی برای تنظیم روی سوژه مورد نظر، غیر ممكن می‌باشد. از این رو دانشمندان برای رصد یك جرم سماوی خاص، باید آنقدر صبر كنند تا در اثر چرخش زمین به دور خودش و یا خورشید، هدف در راستای دید این بشقاب بزرگ قرار گیرد.

برای رفع این مشكل و همچنین به دلیل نیاز به دستیابی به قدرت تفكیك بیشتر، روش دیگری در ساخت و استفاده از رادیو تلسكوپها به وجود آمده است كه مبتنی بر تداخل‌سنجی رادیویی است.

در این روش مجموعه‌ای از چند رادیو تلسكوپ به نسبت كوچكتر، با كمك هدایت كننده‌های كامپیوتری در جهت خاصی تنظیم شده و سیگنالهای دریافتی از آنها آنالیز می‌شود تا تصویر واحد و واضحی به دست آید. اخترشناسان رادیویی با استفاده از روش تداخل‌سنجی قادر به رصد آسمان با دقتی افزون بر ۰۰۱/۰ ثانیه قوسی هستند. در این روش آنتن‌ها را روی خطی كه خط مبنا نامیده می‌شود، به دنبال هم نصب می‌كنند. معمولا نصب آنتن‌ها روی ریلی عمود بر خط مبنا صورت می‌گیرد تا در صورت لزوم بتوان زاویه خط را نسبت به نصب مرجع تغییر داد. حال چنانچه امواج دریافتی عمود بر خط مبنا نباشند، تلسكوپها در فواصل زمانی متفاوتی، موج یكسانی را دریافت می‌كنند.

با استفاده از الگوریتمهای ریاضی و توجه به فواصل زمانی دریافت سیگنالها، می‌توان موقعیت منبع رادیویی را با دقت بسیار خوبی تخمین زد. هر چه فاصله تلسكوپها از یكدیگر بیشتر باشد، اختلاف زمانی و در نتیجه دقت اندازه‌گیری افزایش خواهد یافت. در این روش، فاصله اولین تا آخرین تلسكوپ، معادل قطر بشقاب تلسكوپ واحد در نظر گرفته می‌شود.

نمونه‌ای از این گونه تلسكوپها، مجموعه‌ای با نام "آرایه خیلی بزرگ" (VLA) می‌باشد كه در نیومكزیكوی آمریكا قرار دارد و طول خط مبنای آن ۳۶ كیلومتر است.

این مجموعه عظیم از ۲۷ عدد تلسكوپ با قطر بشقاب ۲۵ متر تشكیل شده است. آنتنها روی ریلهایی قرار گرفته‌اند كه به دانشمندان اجازه می‌دهد بتوانند آنها را در انواع چیدمانهای مختلف تنظیم نمایند.