الهوائي الضخم في الصورة أعلاه هو مرصد Murchison Radio Astronomy في غرب أستراليا. يتكون من 36 مجمعا مع هوائيات مرآة تعمل في النطاق 1.4 غيغاهرتز. يصل قطر المرآة الرئيسية لكل هوائي إلى 12 مترا ، وهو معا جزء من التلسكوب اللاسلكي Pathfinder. تعمل عشرات من هذه الهوائيات معًا لرؤية أبعد آفاق الكون ، ولكن سرعان ما يتم التخطيط لمئات الآلاف من الهوائيات في نظام واحد. لمن المثير للاهتمام أسأل تحت القات.
تنتشر التلسكوبات الراديوية من نوع Pathfinder في جميع أنحاء الكوكب ويخطط العديد منها للاندماج في نظام صفيف الكيلومتر المربع (SKA) مع منطقة استقبال إجمالية تزيد عن كيلومتر مربع واحد بحلول عام 2030. سيتكون من ألفي نظام هوائي في إفريقيا ونصف مليون مجمّع راديو من غرب أستراليا.
هذا المشروع ، الذي يتم العمل عليه في وقت واحد من قبل أستراليا وكندا والصين والهند وإيطاليا وهولندا ونيوزيلندا وجنوب إفريقيا والسويد والمملكة المتحدة ، سيحل العديد من أسرار الكون. سيكون قادرًا على قياس عدد كبير من النجوم النابضة والشظايا النجمية والأجسام الكونية الأخرى التي تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية على طول أقطابها المغناطيسية. من خلال مراقبة هذه الأشياء بالقرب من الثقوب السوداء ، يمكن اكتشاف قوانين فيزيائية جديدة ، وربما يتم تطوير نظرية موحدة لميكانيكا الكم والجاذبية.
سيتم العمل على بناء SKA في عدة مراحل من بناء نظام SKA1 والمكونات الأصغر الأخرى. سيتكون SKA-1 نفسه من SKA1 في منتصف إفريقيا الجنوبية ، و SKA1 في أستراليا.
وسيتألف SKA-mid الظاهر في الصورة من 197 هوائيًا بقطر يصل إلى 15 مترًا لكل منها
تم تصميم SKA1-low لجمع موجات الراديو منخفضة التردد التي ظهرت في الفضاء قبل عدة مليارات من السنين. لتلقي مثل هذه الموجات ، سيتم استخدام هوائيات صغيرة دوارة. يستقبلون إشارات عبر نطاق تردد واسع ، بالنظر إلى التلفزيون و FM. تعمل الهوائيات المنخفضة SKA1 في النطاق من 50 إلى 350 ميجاهرتز ، ويظهر مظهرها أدناه:
تخطط إدارة المشروع لتركيب أكثر من 131 ألف من هذه الهوائيات بحلول عام 2024. سيتم تقسيمها جميعًا إلى مجموعات من 256 قطعة لكل منها ، وسيتم دمج إشاراتها وإرسالها عبر خط اتصال واحد من الألياف الضوئية.
يشبه مبدأ تشغيل الهوائيات في صفيف واحد تشغيل التلسكوب البصري. والفرق الوحيد هو أن التلسكوب الراديوي لا يركز على الإشعاع البصري ، ولكن على موجات الراديو. وطول الموجة المقبول ، كلما زاد قطر هوائي المرآة ، مثل تلسكوب الراديو السريع في الصين ، والذي سيصبح أيضًا جزءًا من SKA في المستقبل.
تكمن المشكلة في أن زيادة حجم المرآة بشكل لا نهائي لن تعمل ، وبناء الهياكل القوية مثل FAST لن يعمل في كل مكان. هذا هو السبب في أنه من الأسهل استخدام العديد من الهوائيات الموزعة الأصغر. ومن الأمثلة على ذلك هوائي علم الفلك الراديوي Murchison Widefield Array (MWA). تعمل هوائيات MWA في المدى من 80 إلى 300 ميجاهرتز:
هذه الهوائيات هي أيضًا جزء من SKA1-low في أستراليا وقادرة على النظر في الفترة المظلمة للكون المبكر ، والتي كانت موجودة قبل 13 مليون سنة في وقت ظهور النجوم وبدأت الأجسام الأخرى في تسخين الكون المملوء بذرات الهيدروجين. يشار إلى أنه لا يزال من الممكن الكشف عن الموجات الراديوية المنبعثة من ذرات الهيدروجين المحايدة هذه. انبعاث الموجات بطول موجي 21 سم ، ولكن بحلول الوقت الذي وصلت فيه إلى الأرض ، مرت مليارات السنين من التوسع في الفضاء ، مما أدى إلى تمديدها لعدة أمتار أخرى.
توضح الصورة أدناه الأقسام التي تحتوي على هوائيات MWA. يحتوي كل قسم على 16 هوائيًا مترابطة في شبكة واحدة باستخدام الألياف الضوئية:
تستقبل هوائيات MWA موجات الراديو في أجزاء من اتجاهات مختلفة في نفس الوقت. يتم تضخيم الإشارات الواردة في وسط كل هوائي باستخدام زوج من مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء ، ثم يتم إرسالها إلى أقرب مشكل شعاع. هناك ، تعطي موجهات الموجات بأطوال مختلفة إشارات الهوائي تأخيرًا معينًا. مع الاختيار الصحيح لهذا التأخير ، تعمل الحزم على "إمالة" مخطط إشعاع المصفوفة بحيث تصل الموجات الراديوية القادمة من جزء معين من السماء إلى الهوائي في نفس الوقت ، كما لو تم استقبالها بواسطة هوائي واحد كبير.
تنقسم هذه الهوائيات إلى مجموعتين ، يرسل كل منهما إشارات إلى جهاز استقبال واحد. يوزع الإشارات بين قنوات التردد المختلفة. بعد أن ترسل بصريات المتلقي إشارة إلى المرصد. هناك ، ترتبط البيانات بضرب الإشارات ودمجها بمرور الوقت. يتيح لك هذا النهج إنشاء إشارة قوية واحدة ، كما لو تم استقبالها بواسطة تلسكوب لاسلكي كبير.
يتناسب مدى الرؤية لمثل هذا التلسكوب الراديوي الافتراضي مع حجمه. في حالة التلسكوب الذي يتكون من العديد من الهوائيات ، يتم تحديد أقصى دقة له بالمسافة بين الأجزاء المستقبلة. وكلما كانت أكبر ، كانت الدقة أكثر دقة.
بفضل هذه الخاصية ، يقوم الفلكيون بإنشاء تلسكوبات افتراضية تغطي القارات. بفضل هذا العملاق ، من الممكن تمييز الثقوب السوداء في وسط درب التبانة. ومع ذلك ، فإن الحجم ليس هو الشيء الرئيسي في الحصول على معلومات دقيقة حول الكائن الذي تمت دراسته في الكون. تتأثر جودة الدقة بإجمالي عدد الهوائيات وموقعها بالنسبة إلى بعضها البعض.
يتم إرسال البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام MWA إلى مئات الكيلومترات إلى أقرب مركز بيانات مع جهاز كمبيوتر فائق. يمكن لـ MWA إرسال أكثر من 25 تيرابايت من البيانات يوميًا وفي السنوات القادمة مع إصدار SKA1-low ، ستصبح هذه السرعة أعلى. وسيجمع 131000 هوائي في التلسكوب الراديوي المنخفض SKA1 ، الذي يعمل في صفيف مشترك واحد ، أكثر من تيرابايت من البيانات كل يوم.
وهذه هي الطريقة التي يتم بها حل مشكلة إمداد التلسكوبات الراديوية بالطاقة. في مرصد Murchison Radio Astronomy ، يتم توفير الطاقة لمجمعات الهوائي بواسطة الألواح الشمسية بسعة 1.6 ميجاوات:
حتى وقت قريب ، كانت هوائيات المرصد تعمل على مولدات الديزل ، والآن ، بالإضافة إلى الألواح الشمسية ، لديها أيضًا عدد كبير من كتل بطارية أيونات الليثيوم التي يمكنها تخزين 2.6 ميغاواط ساعة. ستتلقى بعض أجزاء مجموعة الهوائي قريباً الألواح الشمسية الخاصة بها.
في مثل هذه المشاريع الطموحة ، تكون قضية التمويل دائمًا شديدة للغاية. حاليا ، تبلغ ميزانية البناء SKA1 في جنوب أفريقيا وأستراليا حوالي 675 مليون يورو. هذا هو المبلغ الذي حددته 10 دول أعضاء في المشروع: أستراليا وكندا والصين والهند وإيطاليا وهولندا ونيوزيلندا وجنوب إفريقيا والسويد والمملكة المتحدة. لكن هذا التمويل لا يغطي التكلفة الكاملة لـ SKA1 ، وهو ما يأمل الفلكيون في تحقيقه. لذلك ، يحاول المرصد جذب المزيد من البلدان إلى شراكة يمكن أن تزيد التمويل.
تسمح لك المقاريب الراديوية بمراقبة الأجسام الفضائية البعيدة: النجوم النابضة ، النجوم الزائفة ، إلخ. هنا ، على سبيل المثال ، باستخدام تلسكوب الراديو السريع ، تمكنا من اكتشاف النجم النابض اللاسلكي في عام 2016:
