قياس التداخل ذو الخط الأساسي الطويل جدًا

التداخل الراديوي ذو الخط الأساسي الطويل جدًا ( VLBI ) هو نوع من أنواع التداخل الراديوي الفلكي المستخدم في علم الفلك الراديوي . في هذه التقنية، تُجمع إشارة من مصدر راديوي فلكي ، مثل الكوازار ، بواسطة عدة تلسكوبات راديوية على الأرض أو في الفضاء. ثم تُحسب المسافة بين هذه التلسكوبات باستخدام الفرق الزمني بين وصول الإشارة الراديوية إليها. يتيح ذلك دمج عمليات رصد جسم ما التي تُجرى في وقت واحد بواسطة العديد من التلسكوبات الراديوية، مما يُحاكي تلسكوبًا بحجم يساوي أقصى مسافة فاصلة بين هذه التلسكوبات.

تتضمن البيانات المُستقبلة في كل هوائي ضمن المصفوفة أوقات وصول الإشارات من ساعة ذرية محلية ، مثل ساعة الميزر الهيدروجيني . وفي وقت لاحق، تُربط هذه البيانات ببيانات من هوائيات أخرى سجلت الإشارة الراديوية نفسها، لإنتاج الصورة الناتجة. وتتناسب الدقة التي يمكن تحقيقها باستخدام قياس التداخل طرديًا مع تردد الرصد. تُمكّن تقنية VLBI من زيادة المسافة بين التلسكوبات بشكل كبير مقارنةً بتقنية قياس التداخل التقليدية ، التي تتطلب توصيل الهوائيات فعليًا عبر كابل محوري أو دليل موجي أو ألياف بصرية أو أي نوع آخر من خطوط النقل . وقد أصبحت المسافات الأكبر بين التلسكوبات ممكنة في تقنية VLBI بفضل تطوير روجر جينيسون لتقنية تصوير طور الإغلاق في خمسينيات القرن الماضي، مما يسمح لتقنية VLBI بإنتاج صور بدقة فائقة. ^{[ 2 ]}

تُعرف تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI) بشكلٍ أساسي بتصوير مصادر الراديو الكونية البعيدة، وتتبع المركبات الفضائية، وتطبيقاتها في علم الفلك . مع ذلك، ولأن هذه التقنية تقيس الفروق الزمنية بين وصول الموجات الراديوية إلى هوائيات منفصلة، ​​يُمكن استخدامها أيضًا "عكسيًا" لإجراء دراسات دوران الأرض، ورسم خرائط حركة الصفائح التكتونية بدقة متناهية (في حدود المليمترات)، وإجراء أنواع أخرى من الجيوديسيا . يتطلب استخدام تقنية VLBI بهذه الطريقة عددًا كبيرًا من قياسات الفروق الزمنية من مصادر بعيدة (مثل الكوازارات ) يتم رصدها بواسطة شبكة عالمية من الهوائيات على مدى فترة زمنية محددة.

في تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI)، تُسجل بيانات الهوائي الرقمية عادةً في كل تلسكوب. (في الماضي، كان يتم ذلك على أشرطة مغناطيسية كبيرة، أما اليوم فيتم عادةً على مصفوفات كبيرة من محركات أقراص الحاسوب). تُؤخذ عينات من إشارة الهوائي باستخدام ساعة ذرية دقيقة ومستقرة للغاية (عادةً ما تكون ليزر هيدروجين ) مُزامنة مع معيار زمني لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS). إلى جانب عينات البيانات الفلكية، يُسجل خرج هذه الساعة. ثم تُنقل الوسائط المُسجلة إلى موقع مركزي. أُجريت تجارب أحدث باستخدام تقنية التداخل الراديوي طويل المدى "الإلكترونية" (e-VLBI)، حيث تُرسل البيانات عبر الألياف الضوئية (مثل مسارات الألياف الضوئية بسرعة 10 جيجابت/ثانية في شبكة الأبحاث الأوروبية GEANT2 ) ولا تُسجل في التلسكوبات، مما يُسرّع عملية الرصد ويُبسطها بشكل كبير. على الرغم من أن معدلات نقل البيانات عالية جدًا، إلا أنه يُمكن إرسالها عبر اتصالات الإنترنت العادية، مستفيدةً من حقيقة أن العديد من الشبكات الدولية عالية السرعة لديها سعة فائضة كبيرة في الوقت الحالي. 

عند موقع جهاز الربط، تُعاد تشغيل البيانات. ويتم ضبط توقيت التشغيل وفقًا لإشارات الساعة الذرية، والأوقات المُقدَّرة لوصول الإشارة الراديوية إلى كل تلسكوب. وعادةً ما تُجرَّب مجموعة من توقيتات التشغيل على مدى نانوثانية حتى يتم العثور على التوقيت الصحيح.

ستكون كل هوائي على مسافة مختلفة من مصدر الراديو، وكما هو الحال مع مقياس التداخل الراديوي ذي القاعدة القصيرة ، يجب إضافة التأخيرات الناتجة عن المسافة الإضافية إلى أحد الهوائيات بشكل مصطنع إلى الإشارات المستقبلة في كل هوائي من الهوائيات الأخرى. يمكن حساب التأخير التقريبي المطلوب من هندسة المسألة. تتم مزامنة تشغيل الشريط باستخدام الإشارات المسجلة من الساعات الذرية كمرجع زمني، كما هو موضح في الرسم على اليمين. إذا لم يكن موقع الهوائيات معروفًا بدقة كافية أو كانت التأثيرات الجوية كبيرة، فيجب إجراء تعديلات دقيقة على التأخيرات حتى يتم اكتشاف أهداب التداخل. إذا تم اعتبار الإشارة من الهوائي A كمرجع، فإن عدم دقة التأخير سيؤدي إلى أخطاء.${\displaystyle \epsilon _{B}}$و${\displaystyle \epsilon _{C}}$في أطوار الإشارات من الشريطين B و C على التوالي (انظر الرسم على اليمين). ونتيجةً لهذه الأخطاء، لا يمكن قياس طور الرؤية المركبة باستخدام مقياس تداخل ذي قاعدة طويلة جدًا.

يمكن أن تؤدي التغيرات في درجات الحرارة في مواقع تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI) إلى تشويه بنية الهوائيات والتأثير على قياسات خط الأساس. ^{[ 3 ] [ 4 ]} كما أن إهمال تصحيحات الضغط الجوي والأحمال الهيدرولوجية على مستوى الرصد قد يؤدي إلى تلوث قياسات VLBI من خلال إدخال إشارات سنوية وموسمية، كما هو الحال في السلاسل الزمنية لنظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية. ^{[ 4 ]}

تعتمد طور الرؤية المركبة على تناظر توزيع سطوع المصدر. يمكن كتابة أي توزيع سطوع كمجموع مكون متناظر ومكون غير متناظر . يساهم المكون المتناظر لتوزيع السطوع في الجزء الحقيقي من الرؤية المركبة فقط، بينما يساهم المكون غير المتناظر في الجزء التخيلي فقط. ولأن طور كل قياس للرؤية المركبة لا يمكن تحديده باستخدام مقياس تداخل ذي قاعدة طويلة جدًا، فإن تناظر المساهمة المقابلة في توزيعات سطوع المصدر غير معروف.

طوّر روجر كليفتون جينيسون تقنيةً مبتكرةً للحصول على معلومات حول مراحل الرؤية عند وجود أخطاء تأخير، باستخدام مُتغيرٍ يُسمى طور الإغلاق . ورغم أن قياساته المخبرية الأولية لطور الإغلاق أُجريت عند أطوال موجية ضوئية، فقد توقع إمكاناتٍ أكبر لتقنيته في قياس التداخل الراديوي. في عام ١٩٥٨، أثبت فعاليتها باستخدام مقياس تداخل راديوي، لكنها لم تُستخدم على نطاق واسع في قياس التداخل الراديوي ذي الخط الأساسي الطويل إلا في عام ١٩٧٤. يتطلب هذا الأسلوب ثلاثة هوائيات على الأقل. استُخدمت هذه الطريقة في أولى قياسات VLBI، ولا يزال شكلٌ مُعدّلٌ من هذا النهج ("المعايرة الذاتية") مُستخدمًا حتى اليوم.

تتضمن بعض النتائج العلمية المستمدة من تقنية VLBI ما يلي:

• التصوير الراديوي عالي الدقة لمصادر الراديو الكونية، بما في ذلك النوى المجرية النشطة . ^{[ 5 ]}
• تصوير أسطح النجوم القريبة بأطوال موجية راديوية (انظر أيضًا قياس التداخل ) - تم استخدام تقنيات مماثلة أيضًا لعمل صور بالأشعة تحت الحمراء والبصرية لأسطح النجوم.
• تعريف الإطار المرجعي السماوي . ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• قياس تسارع النظام الشمسي نحو مركز مجرة ​​درب التبانة . ^{[ 8 ] : 6-7}
• حركة الصفائح التكتونية للأرض.
• التشوه الإقليمي والارتفاع أو الهبوط المحلي.
• ^{[ 9 ]} معايير توجيه الأرض والتقلبات في طول النهار .
• صيانة الإطار المرجعي الأرضي .
• قياس قوى الجاذبية للشمس والقمر على الأرض والبنية العميقة للأرض.
• تحسين النماذج الجوية.
• قياس السرعة الأساسية للجاذبية .
• تتبع مسبار هيغنز أثناء مروره عبر غلاف تيتان الجوي، مما سمح بقياس سرعة الرياح. ^{[ 10 ]}
• أول تصوير لثقب أسود فائق الكتلة. ^{[ 1 ] [ 11 ]}

توجد عدة مصفوفات VLBI في أوروبا ، وكندا ، والولايات المتحدة ، وتشيلي ، وروسيا ، والصين ، وكوريا الجنوبية ، واليابان ، والمكسيك ، وأستراليا ، وتايلاند . وتُعدّ الشبكة الأوروبية لتقنية VLBI (EVN) أكثر مصفوفات VLBI حساسيةً في العالم . وهي مصفوفة تعمل بدوام جزئي، تجمع أكبر التلسكوبات الراديوية الأوروبية وبعض التلسكوبات الأخرى من خارج أوروبا، لجلسات تستغرق عادةً أسبوعًا، حيث تُعالَج البيانات في المعهد المشترك لتقنية VLBI في أوروبا (JIVE). أما مصفوفة الخط الأساسي الطويل جدًا (VLBA)، التي تستخدم عشرة تلسكوبات مخصصة، يبلغ قطر كل منها 25 مترًا، وتمتد على مسافة 5351 ميلًا عبر الولايات المتحدة، فهي أكبر مصفوفة VLBI تعمل على مدار العام كأداة فلكية وجيوديسية . ^{[ 12 ]} ويُعرف الجمع بين EVN وVLBA باسم تقنية VLBI العالمية . عند دمج إحدى هاتين المصفوفتين أو كلتيهما مع هوائيات VLBI الفضائية مثل HALCA أو Spektr-R ، تصبح الدقة المُتحصل عليها أعلى من أي أداة فلكية أخرى، قادرة على تصوير السماء بمستوى تفصيل يُقاس بالميكروثواني القوسية . تستفيد تقنية VLBI عمومًا من خطوط الأساس الأطول التي يوفرها التعاون الدولي، ومن الأمثلة المبكرة البارزة على ذلك عام 1976، عندما تم ربط التلسكوبات الراديوية في الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي وأستراليا لرصد مصادر الميزر الهيدروكسيلي. [ 13 ^{] تُستخدم هذه} التقنية حاليًا بواسطة تلسكوب أفق الحدث ، الذي يهدف إلى رصد الثقوب السوداء فائقة الكتلة في مركز مجرة ​​درب التبانة ومجرة مسييه 87. ^{[ 1 ] [ 14 ] [ 15 ]}

تستخدم شبكة الفضاء العميق التابعة لناسا هوائياتها الأكبر حجماً (المستخدمة عادةً للاتصالات بين المركبات الفضائية) في تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI)، وذلك لإنشاء أطر مرجعية راديوية لأغراض الملاحة الفضائية. ويضيف انضمام محطة وكالة الفضاء الأوروبية في مالارغ، الأرجنتين، خطوطاً أساسية تسمح بتغطية أفضل بكثير لنصف الكرة الجنوبي. ^{[ 16 ]}

لطالما اعتمدت تقنية التداخل الراديوي طويل المدى (VLBI) على تسجيل الإشارة عند كل تلسكوب على أشرطة أو أقراص مغناطيسية ، وإرسالها إلى مركز الربط لإعادة تشغيلها. في عام 2004، أصبح من الممكن ربط تلسكوبات VLBI الراديوية في وقت شبه فوري، مع الاستمرار في استخدام المراجع الزمنية المحلية لتقنية VLBI، وذلك في تقنية تُعرف باسم e-VLBI. في أوروبا، تم ربط ستة تلسكوبات راديوية تابعة لشبكة VLBI الأوروبية (EVN) بوصلات جيجابت في الثانية عبر شبكاتها البحثية الوطنية وشبكة البحث الأوروبية الشاملة GEANT2 ، وأُجريت بنجاح أولى التجارب الفلكية باستخدام هذه التقنية الجديدة. ^{[ 17 ]}

تُظهر الصورة على اليمين أول نتائج علمية أنتجتها شبكة VLBI الأوروبية باستخدام تقنية e-VLBI. تم توجيه البيانات من كل تلسكوب عبر شبكة GÉANT2 ثم عبر شبكة SURFnet لمعالجتها في الوقت الفعلي في مركز معالجة البيانات الأوروبي في JIVE . ^{[ 17 ]}

سعياً وراء دقة زاوية أعلى، وُضعت أقمار صناعية مخصصة لتقنية التداخل الراديوي ذي الخط الأساسي الطويل جداً (VLBI) في مدار أرضي لتوفير خطوط أساسية ممتدة بشكل كبير. تُعرف التجارب التي تتضمن عناصر مصفوفة فضائية من هذا النوع باسم التداخل الراديوي ذي الخط الأساسي الطويل جداً في الفضاء (SVLBI). أُجريت أول تجربة SVLBI على متن محطة ساليوت-6 المدارية باستخدام تلسكوب KRT-10 الراديوي، الذي يبلغ قطره 10 أمتار، والذي أُطلق في يوليو 1978.

كان أول قمر صناعي مخصص لتقنية SVLBI هو HALCA ، وهو تلسكوب راديوي بقطر 8 أمتار ، تم إطلاقه في فبراير 1997 وأجرى عمليات رصد حتى أكتوبر 2003. ونظرًا لصغر حجم الطبق، لم يكن من الممكن رصد سوى مصادر الراديو القوية جدًا باستخدام مصفوفات SVLBI التي تتضمنه.

أُطلق قمر صناعي آخر من طراز SVLBI، وهو تلسكوب راديوي Spektr-R بقطر 10 أمتار ، في يوليو 2011، واستمر في إجراء عمليات الرصد حتى يناير 2019. وُضع القمر في مدار بيضاوي شديد الانحراف، يتراوح ارتفاعه بين 10,652  كم عند الحضيض و338,541 كم عند الأوج  ، مما جعل برنامج RadioAstron، وهو برنامج SVLBI الذي يضم القمر الصناعي ومصفوفات أرضية، أكبر مقياس تداخل راديوي حتى الآن. وبلغت دقة النظام 8 ميكروثانية قوسية .

تُعدّ خدمة VLBI الدولية للجيوديسيا وعلم الفلك ( IVS ) تعاونًا دوليًا يهدف إلى استخدام رصد مصادر الراديو الفلكية بتقنية VLBI لتحديد معلمات توجيه الأرض (EOP) والأطر المرجعية السماوية (CRF) والأطر المرجعية الأرضية (TRF) بدقة. ^{[ 18 ]} وتُدار خدمة IVS تحت إشراف الاتحاد الفلكي الدولي (IAU) والرابطة الدولية للجيوديسيا (IAG). ^{[ 19 ]}

• مصفوفة تلسكوب راديوي موصولة بالألياف الضوئية E-MERLIN تُستخدم في عمليات الرصد بتقنية VLBI
• خدمة EXPReS للإنتاج السريع في الوقت الحقيقي بتقنية e-VLBI: مشروع مدته ثلاث سنوات (بدأ في مارس 2006) ممول من قبل المفوضية الأوروبية لتطوير جهاز e-VLBI عابر للقارات متاح للمجتمع العلمي
• معهد JIVE المشترك لتقنية VLBI في أوروبا
• الخدمة الدولية للجيوديسيا وعلم الفلك (IVS)
• مركز تحليل VLBI في مرصد باريس (IVSOPAR)
• "دور كندا في تقنية التداخل الراديوي طويل المدى"