نجوم رادیویی چیست؟

نجوم یکی از قدیمی‌ترین علوم در دنیاست. از دیرباز تاکنون، انسان‌ها تلاش کرده‌اند تا رموز مختلف آسمان بالای سر خود را کشف کنند. امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی، نجوم به یکی از دقیق‌ترین و پیشرفته‌ترین علوم دنیا تبدیل شده است. در علم نجوم، اخترشناسان و منجمان به مطالعه ساختارها و اجرام مختلف عالم در طول موج‌های مختلف می‌پردازند. به عبارت دیگر، می‌توان گفت نجوم امروزه به شاخه‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شود که یکی از آن‌ها نجوم رادیویی است.

در این مقاله قصد داریم نجوم رادیویی را به تفصیل مورد بررسی قرار دهیم. ابتدا با مفاهیمی مانند طول موج و تابش الکترومغناطیسی آشنا می‌شویم. درنهایت درمی‌یابیم نجوم رادیویی چیست و در مطالعه چه اجرامی بیشترین کاربرد را دارد.

نگاهی مختصر به مفاهیم پایه

برای درک بهتر نجوم رادیویی ابتدا بهتر است با مفاهیم پایه‌ای مورد نیاز آشنا شویم. این مفاهیم به ما کمک می‌کنند تا بهتر و دقیق‌تر بدانیم منجمان رادیویی چطور با کمک این علم به مطالعه اجرام مختلف در کیهان می‌پردازند.

طول موج

محیط اطراف ما مملو از امواج مختلف است. به عنوان مثال، هنگامی که از کنترل تلویزیون برای روشن/خاموش کردن آن و یا تنظیم صدا و تعویض کانال استفاده می‌کنیم، درحقیقت درحال ارسال امواج هستیم. رادیو، مایکروفر، دستگاه موبایل و هزاران وسیله دیگر در دنیای امروزی نیز همگی تابش‌هایی از امواج در طول موج‌های مختلف دارند. اما طول موج چیست؟

در علم فیزیک، به فاصله میان دو قله یک موج و یا فاصله میان دو قعر یک موج «طول موج» می‌گویند. هرچه این فاصله کمتر باشد، طول موج کمتر و به عبارت دیگر، کوتاه‌تر است.

انرژی

برای آنکه ارتباط میان طول موج و انرژی را درک کنیم، نقطه‌ای را روی امواج تصویر بالا تصور کنید. فرض کنید این امواج با سرعت‌های یکسان در‌حال انتشار در یک راستا هستند، یعنی هر دو موج بالا از سمت چپ به راست با سرعت‌های یکسان منتشر می‌شوند. تعداد قله‌های بیشتر از کدام موج در مدت زمان یک ثانیه (به عنوان مثال) از نقطه مدنظر شما عبور می‌کنند؟

بدیهی است که تعداد قله‌های بیشتری از موج با طول موج کمتر از نقطه مدنظرتان عبور می‌کند. پس به عبارت دیگر، این موج انرژی بیشتری دارد. می‌توان این‌طور گفت که هرچه موج فشرده‌تر باشد - طول موج آن کمتر باشد - انرژی بیشتری دارد. پس طول موج و انرژی با یکدیگر رابطه عکس دارند.

تابش الکترومغناطیسی

حالا که با مفاهیم طول موج و انرژی آشنا شدیم، می‌توان نگاهی به تابش الکترومغناطیسی انداخت. کشف تابش الکترومغناطیسی تاریخچه طویلی دارد که فیزیکدانان و دانشمندان بسیاری در آن نقش داشته‌اند.

به‌طور خلاصه می‌توان گفت دانشمندان در قرن نوزدهم میلادی دریافتند نور درحقیقت متشکل از بسته‌های انرژی به نام «فوتون» است که می‌تواند هم مانند موج و هم مانند ذره رفتار کند.

تابش الکترومغناطیسی درحقیقت رفتار موج‌گونه نور است (انتشار امواج در اثر انداختن یک سنگ در آب ساکن یک برکه را تصور کنید). تابش الکترومغناطیسی بازه گسترده‌ای از انرژی (و یا به عبارت دیگر طول موج) را شامل می‌شود. بررسی رفتار ذره‌گونه نور را به مقاله دیگری واگذار می‌کنیم.

جالب است بدانید اجرام سماوی مانند ستاره‌ها در تمام طول موج‌های طیف الکترومغناطیسی تابش دارند. تابش الکترومغناطیسی با توجه به طول موج، به دسته‌های مختلفی تبدیل می‌شود که در زیر مشاهده می‌کنید.

همان‌طور که می‌بینید، تابش گاما پرانرژی‌ترین بخش طیف الکترومغناطیسی است. درحقیقت، تابش گاما، تابش خطرناک هسته اتم‌های سنگین مانند اورانیوم و مواد رادیواکتیو است. انرژی این تابش به قدری زیاد است که می‌تواند منجر به فجایعی مانند هیروشیما شود.

پس از آن تابش ایکس را مشاهده می‌کنیم که به نسبت تابش گاما انرژی کمتر و طول موج بیشتری دارد. تابش اشعه ایکس همان تابشی است که در رادیولوژی و عکس‌برداری در پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با پیشروی به سمت تابش‌هایی با انرژی کمتر (و طول موج بیشتر) به بازه نور مریٔی می‌رسیم. نور مریٔی درحقیقت قسمتی از طیف الکترومغناطیسی با طول موج ۳۵۰ تا ۷۵۰ نانومتر است که چشم انسان قادر به دیدن آن است.

به عبارت دیگر، چشمان ما برای دیدن عالم در نور مرئی ساخته شده است. طول موج‌های کمتر یا بیشتر برای چشم انسان قابل دیدن نیستند. به عنوان مثال، چشم ما قادر نیست تابش فروسرخ یک جسم را مشاهده کند.

درنهایت در بلندترین طول موج‌ها به تابش رادیویی می‌رسیم که کمترین انرژی را دارد. امواج رادیویی طول موج‌هایی از حدود چند سانتی‌متر تا چند صد متر را شامل می‌شوند. هنگامی که درحال تنظیم رادیوی خود هستید تا به شبکه رادیویی مورد علاقه‌تان گوش دهید، درحقیقت درحال تنظیم طول موج امواج رادیویی هستید که به گیرنده رادیو می‌رسند.

ماهواره‌ها، تلویزیون و ناوبرهای دریایی از دیگر ابزاری هستند که از امواج رادیویی برای ارسال اطلاعات استفاده می‌کنند.

نجوم رادیویی

حالا که با تابش الکترومغناطیسی و امواج رادیویی آشنا شدیم، بهتر می‌توانیم مفهوم نجوم رادیویی را درک کنیم. همان‌طور که گفتیم اجرام سماوی مانند ستاره‌ها در تمام طیف الکترومغناطیسی تابش می‌کنند.

به‌طور خلاصه، مطالعه تابش اجرام سماوی در بازه رادیویی را «نجوم رادیویی» می‌گویند. اجرام سماوی پرانرژی و همچنین اجسام سرد و تاریک با انرژی کم قادر هستند در بازه رادیویی طیف الکترومغناطیسی تابش داشته باشند.

اخترشناسان رادیویی، گسیل سیارات غول‌پیکر گازی، انفجارهای رخ‌داده در اعماق کهکشان‌ها و یا حتی سیگنال‌های یک ستاره درحال مرگ و همچنین کوازارها را نیز در این شاخه از علم نجوم مطالعه می‌کنند.

هر کدام از اجرام یا پدیده‌های مذکور، الگوهای منحصر‌به‌فردی از گسیل رادیویی دارند که به اخترشناسان کمک می‌کند تا اطلاعات ارزشمندی کسب کنند. امروزه نجوم رادیویی یکی از شاخه‌های اصلی نجوم است و ویژگی‌های پنهانی از کیهان مملو از شگفتی ما را آشکار می‌سازد.

اولین‌بار در سال ۱۹۳۳ بود که «کارل جانسکی» موفق شد در آزمایشگاه تلفن بل تشعشعاتی رادیویی از کهکشان راه شیری را به ثبت برساند. در‌حقیقت این اولین کشف امواج رادیویی از یک شیء نجومی بود. جالب است بدانید پیش از آن در سال‌های ۱۸۶۰ دانشمندان موفق شده بودند با استفاده از معادلات «جیمز کلرک ماکسول» وجود چنین امواجی را پیش‌بینی کنند، اما محدودیت‌های ابزار تا سال ۱۹۳۳ به آن‌ها اجازه نداد که این امواج را به‌صورت عملی از اجرام سماوی به ثبت برسانند.

پس از آن، با پیشرفت تکنولوژی، دانشمندان موفق به ساخت ابزاری شدند تا به کمک آن بتوانند تابش رادیویی اجرام نجومی را به‌صورت خاص مطالعه کنند.

تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی که به‌عنوان مدرکی دال بر وجود بیگ‌بنگ در ابتدای شکل‌گیری عالم شناخته می‌شود، از طریق نجوم رادیویی کشف شد.

رادیو تلسکوپ‌ها و نجوم رادیویی

اخترشناسان در سراسر جهان از تلسکوپ‌های رادیویی برای مشاهده امواج رادیویی طبیعی که از ستارگان، سیارات، کهکشان‌ها، ابرهای غبار و مولکول‌های گاز می‌آیند، استفاده می‌کنند.

اخترشناسان برای مطالعه امواج در بازه رادیویی از روش‌ها و ابزارهای متفاوتی استفاده می‌کنند. یکی از این ابزارهای معروف، آنتن‌های بزرگی است که شبیه بشقاب ماهواره است و به آن «رادیو تلسکوپ» می‌گویند.

درحالی‌که برخی تلسکوپ‌های رادیویی تنها یک دیش (بشقاب ماهواره‌ای) بزرگ دارند، برخی از آن‌ها به‌صورت آرایه‌های غول‌پیکری هستند که از کنار هم قرار‌گرفتن بشقاب‌های زیادی تشکیل شده‌اند. این مجموعه تلسکوپ‌ها از تکنیک‌های تداخل‌سنجی رادیویی استفاده می‌کنند.

این مجموعه به اخترشناسان کمک می‌کند داده‌های رادیویی و تصاویر دقیقی را از اجرام دوردست در این بازه طول موجی به‌دست آورند.

سیگنال‌های رادیویی که این تلسکوپ‌ها جمع‌آوری می‌کنند، به داده‌هایی تبدیل می‌شوند که می‌توان از آن‌ها برای ساخت تصاویر استفاده کرد. درحقیقت، داده‌ها با تکنیک‌های مختلف رنگ می‌گیرند و تبدیل به تصاویر رنگی می‌شوند تا ویژگی‌های مختلف جسم مانند دما را به نمایش بگذارند.

محدودیت‌های نجوم رادیویی

ستاره‌شناسان رادیویی از تکنیک‌های مختلفی برای رصد اجرام در طیف رادیویی استفاده می‌کنند. ابزارها ممکن است به‌سادگی یک جرم سماوی، به‌عنوان یک منبع رادیویی پرانرژی را نشانه بگیرند و داده‌های جمع‌آوری شده از آن را تجزیه و تحلیل کنند.

با‌این‌حال، در نظر داشته باشید که مشاهدات از سطح زمین محدود به طول موج‌هایی است که می‌توانند از جو زمین عبور کنند. در طول موج‌های بلند، لایه یونوسفر جو زمین دردسرساز می‌شود.

هنگامی که به‌سراغ امواج رادیویی با طول موج بسیار بالا می‌رویم، بخار آب موجود در لایه یونوسفر در امواج رادیویی تداخل ایجاد می‌کند. به همین دلیل، اخترشناسان دست به ساخت رصدخانه‌های رادیویی می‌زنند که طول موج‌های کوتاه‌تری از امواج رادیویی را مورد مطالعه قرار می‌دهند. این رصدخانه‌ها که در طول موج‌های میلی‌متری کار می‌کنند، در نواحی خشک و مرتفع ساخته می‌شوند تا میزان بخار آب در خط دید را به حداقل برسانند.

از سوی دیگر، منابع امواج رادیویی روی زمین که برای زندگی روزمره مورد استفاده قرار می‌گیرند نیز می‌توانند سبب تداخل در امواج رادیویی شوند. به همین دلیل، بسیاری از رصدخانه‌های رادیویی در مکان‌های بسیار دور از محل زندگی انسان ساخته می‌شوند.

معروف‌ترین رادیو تلسکوپ‌های دنیا

همان‌طور که گفتیم تلسکوپ‌های رادیویی در دنیا یا به‌صورت تکی نصب می‌شوند - دیش‌های تکی با ابعاد بسیار بزرگ - و یا به‌صورت آرایه‌هایی از چند رادیو تلسکوپ، تا میزان دیتای ورودی افزایش یابد. خالی از لطف نیست در ادامه مطلب با برخی از بزرگ‌ترین رادیو تلسکوپ‌های دنیای و بزرگ‌ترین آرایه‌های رادیو تلسکوپ آشنا شویم.

رادیو تلسکوپ‌ منفرد

بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی منفرد در جهان «Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope» نام دارد که به‌اختصار آن را «FAST» می‌خوانند. این تلسکوپ که در یک دره طبیعی در استان «گوییژو» در چین قرار گرفته است، در سال ۲۰۱۶ تکمیل شد و به‌علت سایز بسیار بزرگی که دارد می‌تواند اجرام تا فواصل بسیار دور را مشاهده کند.

بازتاب‌دهنده کروی‌شکل این ابرتلسکوپ رادیویی قطری ۳۰۵ متری دارد که در همکاری با دانشگاه «کرنل» در ایالات متحده ساخته شده است.

«RATAN-600» نام تلسکوپ رادیویی دیگری است که شهرت بسیاری دارد. این تلسکوپ رادیویی روسی دارای صفحه بازتاب‌دهنده با قطر ۸۹۵ متر است و در نزدیکی کوه‌های قفقاز قرار گرفته است. در ساخت چنین تلسکوپ عظیم و قدرتمندی محققان استرالیا، فرانسه، هند، ایتالیا، روسیه و اوکراین با یکدیگر همکاری کرده‌اند.

علاوه بر این موارد، رکورد بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی کاملاً اتوماتیک به «GBT» می‌رسد که GBT مخفف «Robert C. Byrd Green Bank» است. این تلسکوپ عظیم در «ویرجینیای غربی» واقع شده و از سال ۲۰۰۰ میلادی شروع به‌کار کرده است. GBT که در طول موج‌های کوتاه چند میلی‌متری کار می‌کند، حدود ۷.۳ میلیون کیلوگرم وزن دارد!

آرایه‌ رادیو تلسکوپ

بزرگ‌ترین و مشهورترین آرایه رادیو تلسکوپ‌ها در دنیا، «Very Large Array» نام دارد که به اختصار آن را «VLA» می‌خوانند.

این آرایه از نظر کارشناسان ترکیبی از حساسیت بالا، وضوح و تطبیق‌پذیری فوق‌العاده است. VLA متشکل از ۲۷ دیش است که قطر هر کدام ۲۵ متر است. این مجموعه خاص و قدرتمند در مرکز نیومکزیکو در ایالات متحده واقع شده است و سالانه به بیش از ۱۵۰۰ اخترشناس و منجم اجازه می‌دهد تا تحقیقات خود را پیش ببرند. این تلسکوپ‌ها در مطالعه منظومه شمسی، کهکشان راه شیری، ستاره‌ها، تپ اخترها، گازهای اتمی و مولکولی راه شیری و دیگر کهکشان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از دیگر آرایه‌های رادیو تلسکوپ در دنیا می‌توان به «Westerbork» ساخت کشور هلند اشاره کرد که متشکل از ۱۴ دیش هر کدام به قطر ۲۵ متر است.

از سوی دیگر، ستاره‌شناسان هندی نیز تلسکوپ رادیویی غول‌پیکر «GMRT» را در نزدیکی ناحیه‌ای به نام «پونا» در هند ساخته‌اند که در طول موج‌های ۲۰ سانتی‌متر تا ۶ متر به جمع‌آوری داده از کیهان می‌پردازد.

سوالات متداول کاربران