التلسكوب الراديوي

التلسكوب الراديوي عبارة عن هوائي متخصص وجهاز استقبال راديوي يُستخدم لرصد الموجات الراديوية الصادرة من مصادر راديوية فلكية في السماء. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} تُعد التلسكوبات الراديوية الأداة الرئيسية المستخدمة في علم الفلك الراديوي ، الذي يدرس نطاق الترددات الراديوية من الطيف الكهرومغناطيسي ، تمامًا كما تُستخدم التلسكوبات البصرية لإجراء عمليات الرصد في الجزء المرئي من الطيف في علم الفلك البصري التقليدي . وعلى عكس التلسكوبات البصرية، يمكن استخدام التلسكوبات الراديوية نهارًا وليلًا.

نظراً لبُعد مصادر الراديو الفلكية ، كالكواكب والنجوم والسدم والمجرات ، فإن الموجات الراديوية الصادرة عنها ضعيفة للغاية، لذا تتطلب التلسكوبات الراديوية هوائيات ضخمة لجمع طاقة راديوية كافية لدراستها، بالإضافة إلى أجهزة استقبال فائقة الحساسية. عادةً ما تكون التلسكوبات الراديوية هوائيات مكافئة كبيرة ( أطباق) تُشبه تلك المستخدمة في تتبع الأقمار الصناعية ومجسات الفضاء والتواصل معها. ويمكن استخدامها بشكل فردي أو ربطها إلكترونياً في مصفوفة. ويُفضّل أن تُقام المراصد الراديوية بعيداً عن المراكز السكانية الرئيسية لتجنب التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن أجهزة الراديو والتلفزيون والرادار والمركبات وغيرها من الأجهزة الإلكترونية .

رُصدت الموجات الراديوية القادمة من الفضاء لأول مرة على يد المهندس كارل غوث جانسكي عام 1932 في مختبرات بيل للهواتف في هولمديل، نيو جيرسي، باستخدام هوائي بُني لدراسة ضوضاء أجهزة استقبال الراديو. وكان أول تلسكوب راديوي مصمم خصيصًا لهذا الغرض عبارة عن طبق مكافئ قطره 9 أمتار بناه هاوي الراديو غروت ريبر في فناء منزله الخلفي في ويتون، إلينوي عام 1937. ويُعتبر المسح السماوي الذي أجراه بدايةً لعلم الفلك الراديوي.

نسخة طبق الأصل بالحجم الكامل لأول تلسكوب راديوي، وهو مصفوفة ثنائية القطب لجانسكي عام 1932، محفوظة في مرصد غرين بانك الأمريكي في غرين بانك، ولاية فرجينيا الغربية.

تلسكوب ريبر الراديوي "الطبقي"، ويتون، إلينوي، 1937

قام كارل غوثي جانسكي ، المهندس في مختبرات بيل للهواتف ، ببناء أول هوائي راديوي يُستخدم لتحديد مصدر راديوي فلكي عام 1932. وُكِّلَ جانسكي بمهمة تحديد مصادر التشويش التي قد تتداخل مع خدمة الهاتف اللاسلكي . كان هوائي جانسكي عبارة عن مصفوفة من ثنائيات الأقطاب والعاكسات ، مصممة لاستقبال إشارات الراديو قصيرة الموجة بتردد 20.5 ميجاهرتز (طول موجي حوالي 14.6 مترًا). ثُبِّتَ الهوائي على قرص دوار يسمح له بالدوران في أي اتجاه، مما أكسبه اسم "دوارة جانسكي". بلغ قطره حوالي 30 مترًا (100 قدم) وارتفاعه 6 أمتار (20 قدمًا) . وبتدوير الهوائي، أمكن تحديد اتجاه مصدر التشويش الراديوي المُستقبَل (التشويش). احتوى كوخ صغير بجانب الهوائي على نظام تسجيل تناظري يدوي . بعد تسجيل إشارات من جميع الاتجاهات لعدة أشهر، صنّف جانسكي هذه الإشارات في النهاية إلى ثلاثة أنواع من التشويش: عواصف رعدية قريبة، وعواصف رعدية بعيدة، وصوت أزيز خافت وثابت فوق مستوى الضوضاء ، مجهول المصدر. وخلص جانسكي إلى أن هذا "الأزيز الخافت" يتكرر في دورة مدتها 23 ساعة و56 دقيقة. وهذه الدورة تعادل طول اليوم الفلكي النجمي ، أي الوقت الذي يستغرقه أي جسم ثابت على الكرة السماوية للعودة إلى نفس الموقع في السماء. وبناءً على ذلك، اشتبه جانسكي في أن مصدر الأزيز خارج المجموعة الشمسية ، وبمقارنة ملاحظاته بالخرائط الفلكية البصرية، استنتج أن الإشعاع قادم من مجرة ​​درب التبانة، وأنه في أقوى حالاته باتجاه مركز المجرة، في كوكبة القوس .    

كان غروت ريبر ، وهو هاوٍ للراديو ، من رواد ما عُرف لاحقًا بعلم الفلك الراديوي . بنى أول تلسكوب راديوي مكافئ على شكل طبق، قطره 9 أمتار (30 قدمًا) ، في فناء منزله الخلفي في ويتون، إلينوي عام 1937. كرر ريبر العمل الرائد الذي بدأه جانسكي، مُحددًا مجرة ​​درب التبانة كأول مصدر راديوي خارج كوكب الأرض، ثم أجرى أول مسح سماوي بترددات راديوية عالية جدًا ، مكتشفًا مصادر راديوية أخرى. أدى التطور السريع للرادار خلال الحرب العالمية الثانية إلى ظهور تقنية طُبقت على علم الفلك الراديوي بعد الحرب، ليصبح علم الفلك الراديوي فرعًا من فروع علم الفلك، حيث قامت الجامعات ومعاهد البحوث ببناء تلسكوبات راديوية ضخمة. ^{[ 4 ]} 

يتميز نطاق الترددات في الطيف الكهرومغناطيسي الذي يشكل طيف الراديو باتساعه الكبير. ونتيجةً لذلك، تتنوع أنواع الهوائيات المستخدمة في التلسكوبات الراديوية تنوعًا واسعًا من حيث التصميم والحجم والتكوين. عند أطوال موجية تتراوح بين 30 و3 أمتار (10-100  ميجاهرتز)، تكون هذه الهوائيات عادةً إما مصفوفات هوائيات اتجاهية تشبه هوائيات التلفزيون، أو عاكسات ثابتة كبيرة ذات بؤر متحركة. ونظرًا لطول الأطوال الموجية التي تُرصد بهذه الأنواع من الهوائيات، يمكن تصنيع أسطح العاكس من شبكة سلكية خشنة ، مثل شبكة سلك الدجاج . ^{[ 5 ] [ 6 ]} أما عند الأطوال الموجية الأقصر، فتُهيمن هوائيات القطع المكافئ . وتُحدد الدقة الزاوية لهوائي القطع المكافئ بنسبة قطر الطبق إلى طول موجة الراديو المرصودة. وهذا ما يُحدد حجم الطبق الذي يحتاجه التلسكوب الراديوي للحصول على دقة كافية. يبلغ قطر التلسكوبات الراديوية التي تعمل بأطوال موجية تتراوح بين 3 أمتار و30  سم (100  ميجاهرتز إلى 1  جيجاهرتز) عادةً أكثر من 100 متر. أما التلسكوبات التي تعمل بأطوال موجية أقصر من 30  سم (أعلى من 1  جيجاهرتز) فيتراوح قطرها بين 3 و90 مترًا.

الترددات

يؤدي تزايد استخدام الترددات الراديوية للاتصالات إلى جعل عمليات الرصد الفلكي أكثر صعوبة (انظر الطيف المفتوح ). وتُنسق المفاوضات للدفاع عن تخصيص الترددات لأجزاء من الطيف الأكثر فائدة لرصد الكون في اللجنة العلمية المعنية بتخصيص الترددات لعلم الفلك الراديوي وعلوم الفضاء.

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

• كل تردد في المنطقة الوطنية للهدوء الإذاعي في الولايات المتحدة
• القناة 37 : من 608 إلى 614  ميجاهرتز
• خط الهيدروجين ، المعروف أيضًا باسم خط 21 سنتيمترًا: 1420.40575177  ميجاهرتز، والذي استخدمته العديد من التلسكوبات الراديوية، بما في ذلك تلسكوب " الأذن الكبيرة" في اكتشافه لإشارة " واو!".
• 1406  ميجاهرتز و 430  ميجاهرتز ^{[ 7 ]}
• حفرة الماء : من 1420 إلى 1666  ميجاهرتز
• كان لدى مرصد أريسيبو عدة أجهزة استقبال غطت مجتمعة  نطاق التردد الكامل من 1 إلى 10 جيجاهرتز.
• قام مسبار ويلكنسون لقياس تباين الموجات الميكروية برسم خريطة لإشعاع الخلفية الكونية الميكروية في 5 نطاقات تردد مختلفة، تتمركز حول 23  جيجاهرتز، 33  جيجاهرتز، 41  جيجاهرتز، 61  جيجاهرتز، و94  جيجاهرتز.

أطباق كبيرة

يُعدّ تلسكوب FAST (التلسكوب الكروي ذو الفتحة الكاملة) الذي أنجزته الصين عام 2016 ، أكبر تلسكوب راديوي في العالم ذو فتحة كاملة (أي طبق كامل) . ^{[ 8 ]} يقع هذا الطبق، الذي يبلغ قطره 500 متر (1600 قدم) ومساحته تعادل مساحة 30 ملعب كرة قدم، في منخفض كارستي طبيعي في مقاطعة قويتشو ، وهو ثابت لا يتحرك. توجد هوائي التغذية في مقصورة معلقة فوق الطبق بواسطة كابلات. يتكون الطبق النشط من 4450 لوحة متحركة يتحكم بها جهاز كمبيوتر. من خلال تغيير شكل الطبق وتحريك مقصورة التغذية على كابلاتها، يمكن توجيه التلسكوب نحو أي منطقة في السماء بزاوية تصل إلى 40 درجة من سمت الرأس. على الرغم من أن قطر الطبق 500 متر، إلا أن هوائي التغذية يُضيء مساحة دائرية قطرها 300 متر فقط في أي وقت، وبالتالي فإن الفتحة الفعالة الفعلية هي 300 متر. بدأ البناء في عام 2007 واكتمل في يوليو 2016 ^{[ 9 ]} وبدأ تشغيل التلسكوب في 25 سبتمبر 2016. ^{[ 10 ]}   

كان تلسكوب أريسيبو الراديوي، الواقع في أريسيبو، بورتوريكو ، ثاني أكبر تلسكوب ذي فتحة كاملة في العالم ، إلا أنه تعرض لانهيار كارثي في ​​1 ديسمبر 2020. وكان أريسيبو من بين التلسكوبات الراديوية القليلة في العالم القادرة على التصوير الراداري النشط (أي الإرسال) للأجسام القريبة من الأرض (انظر: علم الفلك الراداري )؛ بينما تعتمد معظم التلسكوبات الأخرى على الكشف السلبي، أي الاستقبال فقط. وكان أريسيبو تلسكوبًا ثابتًا ذا طبق، مثل تلسكوب FAST. بُني طبق أريسيبو، الذي يبلغ قطره 305 أمتار (1001 قدم) ، في منخفض طبيعي في التضاريس، وكان بالإمكان توجيه الهوائي ضمن زاوية 20 درجة تقريبًا من سمت الرأس عن طريق تحريك هوائي التغذية المعلق ، مما أتاح استخدام جزء من الطبق بقطر 270 مترًا لأي عملية رصد 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 راديوية مستطيلة، يمكن توجيه كل منها نحو جهاز استقبال مخروطي مركزي.

الأطباق الثابتة المذكورة أعلاه ليست قابلة للتوجيه بالكامل؛ إذ لا يمكن توجيهها إلا نحو نقاط في منطقة من السماء قريبة من سمت الرأس ، ولا يمكنها استقبال الإشارات من مصادر قريبة من الأفق. يُعدّ تلسكوب غرين بانك، الذي يبلغ قطره 100 متر، في ولاية فرجينيا الغربية بالولايات المتحدة الأمريكية، والذي شُيّد عام 2000، أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل. أما أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل في أوروبا فهو تلسكوب إيفيلسبيرغ الراديوي، الذي يبلغ قطره 100 متر، بالقرب من مدينة بون بألمانيا، والذي يُشغّله معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي ، والذي كان أيضاً أكبر تلسكوب قابل للتوجيه بالكامل في العالم لمدة 30 عاماً حتى تم بناء هوائي غرين بانك. ^{[ 11 ]} يُعدّ تلسكوب لوفيل، الذي يبلغ قطره 76 مترًا، في مرصد جودريل بانك في تشيشاير ، إنجلترا ، ثالث أكبر تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل، وقد اكتمل بناؤه عام 1957. أما رابع أكبر التلسكوبات الراديوية القابلة للتوجيه بالكامل، فهي ستة أطباق قطر كل منها 70 مترًا: ثلاثة منها من طراز RT-70 الروسي ، وثلاثة أخرى ضمن شبكة ناسا للفضاء السحيق . ومن المتوقع أن يصبح تلسكوب كيتاي الراديوي ، الذي يبلغ قطره 110 أمتار (360 قدمًا) ، أكبر تلسكوب راديوي أحادي الطبق قابل للتوجيه بالكامل في العالم عند اكتماله عام 2028.  

يحتوي التلسكوب الراديوي النموذجي على هوائي واحد يبلغ قطره حوالي 25 متراً. ويتم تشغيل عشرات التلسكوبات الراديوية بهذا الحجم تقريباً في المراصد الراديوية في جميع أنحاء العالم.

معرض للأطباق الكبيرة

• 
  تلسكوب FAST الكروي ذو الفتحة البالغة 500 متر ، الصين، كما يُرى من الأعلى في عام 2020
• 
  تلسكوب غرين بانك ذو الـ 100 متر ، غرين بانك، ولاية فرجينيا الغربية، الولايات المتحدة الأمريكية، وهو أكبر طبق تلسكوب راديوي قابل للتوجيه بالكامل (2002).
• 
  سباق 100 متر إيفلسبيرج ، في باد مونستيريفيل، ألمانيا (1971)
• 
  تلسكوب لوفيل ذو الـ 76 متراً ، مرصد جودريل بانك، إنجلترا (1957)
• 
  هوائي DSS 14 "المريخ" بطول 70 متراً في مجمع غولدستون للاتصالات الفضائية العميقة ، صحراء موهافي، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية (1958)
• 
  ييفباتوريا آر تي-70 بطول 70 متراً ، شبه جزيرة القرم، أول طائرة من طراز آر تي-70 من أصل ثلاث طائرات في الاتحاد السوفيتي السابق، (1978)
• 
  غواصة جالينكي RT-70 بطول 70 متراً ، جالينكي، روسيا، وهي الثانية من بين ثلاث غواصات RT-70 في الاتحاد السوفيتي السابق، (1984).

شهد عام 1946 أحد أبرز التطورات في هذا المجال، حيث تم إدخال تقنية التداخل الفلكي ، والتي تعتمد على دمج الإشارات من هوائيات متعددة لمحاكاة هوائي أكبر، بهدف تحقيق دقة أعلى. تتكون أجهزة التداخل الراديوي الفلكي عادةً من مصفوفات من الأطباق المكافئة (مثل تلسكوب الميل الواحد )، أو مصفوفات من الهوائيات أحادية البعد (مثل تلسكوب مولونغلو التركيبي )، أو مصفوفات ثنائية الأبعاد من ثنائيات الأقطاب متعددة الاتجاهات (مثل مصفوفة النجوم النابضة لتوني هيويش ). تتباعد جميع التلسكوبات في المصفوفة بشكل كبير، وعادةً ما يتم توصيلها باستخدام كابل محوري ، أو دليل موجي ، أو ألياف بصرية ، أو أي نوع آخر من خطوط النقل . كما سمحت التطورات الحديثة في استقرار المذبذبات الإلكترونية بإجراء التداخل من خلال التسجيل المستقل للإشارات عند الهوائيات المختلفة، ثم ربط التسجيلات لاحقًا في مركز معالجة مركزي. تُعرف هذه العملية باسم قياس التداخل ذي الخط الأساسي الطويل جدًا (VLBI) . يزيد قياس التداخل من إجمالي الإشارة المُجمّعة، لكن هدفه الأساسي هو زيادة الدقة بشكل كبير من خلال عملية تُسمى توليف الفتحة . 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 طوران متعاكسان بعضهما بعضًا. ينتج عن ذلك تلسكوب مُدمج يُعادل في دقته (وإن لم يكن في حساسيته) هوائيًا واحدًا قطره يساوي المسافة بين أبعد هوائيين في المصفوفة.

تتطلب الصورة عالية الجودة عددًا كبيرًا من المسافات المختلفة بين التلسكوبات. تُسمى المسافة المتوقعة بين أي تلسكوبين، كما تُرى من مصدر الراديو، خط الأساس. على سبيل المثال، يضم مصفوفة التلسكوبات الكبيرة جدًا (VLA) بالقرب من سوكورو، نيو مكسيكو، 27 تلسكوبًا مع 351 خط أساس مستقل في آن واحد، مما يحقق دقة تصل إلى 0.2 ثانية قوسية عند  أطوال موجية 3 سم. ^{[ 19 ]} حصل فريق مارتن رايل في كامبريدج على جائزة نوبل في علم التداخل الضوئي وتوليف الفتحات. ^{[ 20 ]} كما طُوّر مقياس التداخل المرآوي لويد بشكل مستقل عام 1946 من قبل فريق جوزيف باوزي في جامعة سيدني . ^{[ 21 ]} في أوائل الخمسينيات، رسم مقياس التداخل في كامبريدج خريطة للسماء الراديوية لإنتاج مسوحات 2C و 3C الشهيرة لمصادر الراديو. من الأمثلة على مصفوفات التلسكوبات الراديوية الكبيرة المتصلة فيزيائيًا تلسكوب الموجات المترية العملاق ، الموجود في مدينة بونا بالهند . أما أكبر مصفوفة، وهي مصفوفة الترددات المنخفضة (LOFAR)، التي اكتمل بناؤها عام 2012، فتقع في غرب أوروبا، وتتألف من حوالي 81,000 هوائي صغير موزعة على 48 محطة، تمتد على مساحة قطرها مئات الكيلومترات، وتعمل ضمن نطاق أطوال موجية يتراوح بين 1.25 و30 مترًا. وقد تم إنشاء أنظمة VLBI باستخدام معالجة ما بعد الرصد، بهوائيات تفصل بينها آلاف الأميال. كما استُخدمت مقاييس التداخل الراديوي للحصول على صور تفصيلية لتباينات واستقطاب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، مثل مقياس التداخل CBI عام 2004. 

من المقرر أن يبدأ أكبر تلسكوب متصل فعليًا في العالم، وهو مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA)، عملياته في عام 2027، ^{[ 22 ]} على الرغم من أن المحطات الأولى كانت قد بدأت "أولى الهدب" في عام 2024. ^{[ 23 ]}

لا تقتصر إمكانية رصد العديد من الأجرام الفلكية على الضوء المرئي فحسب، بل إنها تُصدر إشعاعات بأطوال موجية راديوية أيضًا . فإلى جانب رصد الأجرام النشطة كالنجوم النابضة والكوازارات ، تستطيع التلسكوبات الراديوية تصوير معظم الأجرام الفلكية كالمجرات والسدم ، وحتى الانبعاثات الراديوية من الكواكب . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• أستروبلس – الحوسبة الموزعة للبحث في أشرطة البيانات عن الثقوب السوداء البدائية والنجوم النابضة والأجسام الغريبة خارج الأرض
• محطة أرضية
• قائمة المراصد الفلكية
• قائمة التلسكوبات الراديوية
• قائمة أنواع التلسكوبات
• البحث عن ذكاء خارج الأرض
• تلسكوب
• تلسكوب رادار

• رولفس، ك.، وويلسون، ت. ل. (2004). أدوات علم الفلك الراديوي. مكتبة علم الفلك والفيزياء الفلكية. برلين، ألمانيا: سبرينغر.
• أسيموف، إ. (1979). كتاب حقائق إسحاق أسيموف؛ مراقبو السماء . نيويورك: غروسيت ودونلاب. ص  390-399. ISBN 0-8038-9347-7.

• صورة: تلسكوب راديوي مجاني الاستخدام