एक टेलीस्कोप में एक साथ सैकड़ों हजारों एंटेना कैसे आते हैं

ऊपर की तस्वीर में विशाल एंटीना पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया में मुर्चिसन रेडियो खगोल विज्ञान वेधशाला है। इसमें 1.4 गीगाहर्ट्ज़ बैंड में मिरर एंटेना के साथ 36 कॉम्प्लेक्स हैं। प्रत्येक एंटीना का मुख्य दर्पण 12 मीटर व्यास तक पहुंचता है, और साथ में एंटीना पाथफाइंडर रेडियो टेलीस्कोप का केवल एक हिस्सा है। ब्रह्मांड के सबसे दूर क्षितिज को देखने के लिए दर्जनों ऐसे एंटेना एक साथ काम करते हैं, लेकिन जल्द ही सैकड़ों हजारों एंटेना को एक प्रणाली में संयोजित करने की योजना है। यह किसके लिए दिलचस्प है मैं कैट के तहत पूछता हूं।

पाथफाइंडर-प्रकार के रेडियो दूरबीनों को पूरे ग्रह पर तैनात किया जाता है और उनमें से कई 2030 तक एक वर्ग किलोमीटर से अधिक के कुल प्राप्त क्षेत्र के साथ स्क्वायर किलोमीटर एरे (SKA) प्रणाली में एकीकृत करने की योजना बनाते हैं। यह अफ्रीका में दो हजार एंटीना सिस्टम का एक कॉम्प्लेक्स और पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया से आधा मिलियन रेडियो कॉम्प्लेक्स होगा।

ऑस्ट्रेलिया, कनाडा, चीन, भारत, इटली, नीदरलैंड, न्यूजीलैंड, दक्षिण अफ्रीका, स्वीडन और यूनाइटेड किंगडम द्वारा एक साथ काम किया जा रहा है, जो परियोजना ब्रह्मांड के कई रहस्यों को सुलझाएगी। वह बड़ी संख्या में पल्सर, तारकीय टुकड़े और अन्य ब्रह्मांडीय निकायों को मापने में सक्षम होगा जो अपने चुंबकीय ध्रुवों के साथ विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करते हैं। ब्लैक होल के पास ऐसी वस्तुओं का अवलोकन करके, नए भौतिक नियमों की खोज की जा सकती है और, शायद, क्वांटम यांत्रिकी और गुरुत्वाकर्षण का एक एकीकृत सिद्धांत विकसित किया जाएगा।


SKA के निर्माण पर काम SKA1 प्रणाली और अन्य छोटे घटकों के निर्माण से कई चरणों में होगा। SKA-1 में दक्षिणी अफ्रीका में SKA1- मध्य और ऑस्ट्रेलिया में SKA1- निम्न शामिल होंगे।


तस्वीर में दिखाए गए SKA-mid में 15 मीटर तक के व्यास के साथ 197 एंटेना शामिल होंगे

SKA1-low को कम आवृत्ति वाली रेडियो तरंगों को इकट्ठा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो कई अरब साल पहले अंतरिक्ष में दिखाई दी थीं। ऐसी तरंगों को प्राप्त करने के लिए, छोटे घूमने वाले एंटेना का उपयोग किया जाएगा। वे एक व्यापक आवृत्ति रेंज पर संकेत प्राप्त करते हैं, जिसे टेलीविजन और एफएम दिया जाता है। SKA1- कम एंटेना 50 से 350 मेगाहर्ट्ज की सीमा में काम करते हैं, उनकी उपस्थिति नीचे दिखाई गई है:





परियोजना प्रबंधन ने 2024 तक ऐसे एंटेना के 131 हजार से अधिक स्थापित करने की योजना बनाई है। उन सभी को 256 टुकड़ों के समूहों में विभाजित किया जाएगा, और उनके संकेतों को एक फाइबर-ऑप्टिक संचार लाइन के माध्यम से संयुक्त और प्रेषित किया जाएगा।

एक सरणी में एंटेना के संचालन का सिद्धांत एक ऑप्टिकल टेलीस्कोप के संचालन के समान है। अंतर केवल इतना है कि रेडियो टेलीस्कोप ऑप्टिकल विकिरण पर नहीं, बल्कि रेडियो तरंगों पर केंद्रित है। और स्वीकृत तरंग दैर्ध्य, दर्पण एंटीना का बड़ा व्यास, जैसे कि चीन में फास्ट रेडियो टेलीस्कोप, जो भविष्य में एसकेए का हिस्सा भी बन जाएगा।



समस्या यह है कि असीम रूप से दर्पण के आकार में वृद्धि करने से काम नहीं चलेगा, और FAST जैसी शक्तिशाली संरचनाएं हर जगह काम नहीं करेंगी। यही कारण है कि कई छोटे वितरित एंटेना का उपयोग करना आसान है। एक उदाहरण है मर्चिसन वाइडफील्ड ऐरे (MWA) रेडियो खगोल विज्ञान एंटीना। MWA एंटेना 80 से 300 MHz की सीमा में काम करते हैं:



ये एंटेना ऑस्ट्रेलिया में SKA1-low का भी हिस्सा हैं और शुरुआती ब्रह्मांड की अंधेरी अवधि को देखने में सक्षम हैं, जो 13 मिलियन साल पहले मौजूद थे जब तारे उभर रहे थे और अन्य वस्तुओं ने हाइड्रोजन परमाणुओं से भरे ब्रह्मांड को गर्म करना शुरू कर दिया था। यह उल्लेखनीय है कि इन तटस्थ हाइड्रोजन परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित रेडियो तरंगों का पता लगाना अभी भी संभव है। तरंगों को 21 सेमी की तरंग दैर्ध्य के साथ उत्सर्जित किया गया था, लेकिन जब तक वे पृथ्वी पर पहुंच गए, तब तक कई वर्षों तक अंतरिक्ष के विस्तार के अरबों साल बीत गए, और उन्हें कई मीटर तक फैला दिया।

नीचे दी गई छवि MWA एंटेना के साथ वर्गों को दिखाती है। प्रत्येक खंड में 16 एंटेना होते हैं जो ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करके एकल नेटवर्क में परस्पर जुड़े होते हैं:



MWA एंटेना एक ही समय में विभिन्न दिशाओं से भागों में रेडियो तरंगों को प्राप्त करता है। कम-शोर एम्पलीफायरों की एक जोड़ी का उपयोग करके प्रत्येक ऐन्टेना के केंद्र में आने वाले संकेतों को बढ़ाया जाता है, और फिर निकटतम बीम शेपर में भेजा जाता है। वहां, विभिन्न लंबाई के वेवगाइड्स ऐन्टेना संकेतों को एक निश्चित देरी देते हैं। इस देरी के सही विकल्प के साथ, बीम सरणी के विकिरण पैटर्न को "झुकाव" करता है ताकि आकाश के एक निश्चित हिस्से से आने वाली रेडियो तरंगें ऐन्टेना तक उसी समय पहुंचें, जैसे कि वे एक बड़े एंटीना द्वारा प्राप्त की गई थीं।

ऐसे एंटेना दो समूहों में विभाजित हैं, जिनमें से प्रत्येक एक रिसीवर को संकेत भेजता है। यह विभिन्न आवृत्ति चैनलों के बीच संकेतों को वितरित करता है। रिसीवर ऑप्टिक्स के बाद वेधशाला को एक संकेत भेजता है। वहां, संकेतों को गुणा करके और समय के साथ उन्हें एकीकृत करके डेटा को सहसंबद्ध किया जाता है। यह दृष्टिकोण आपको एक मजबूत संकेत बनाने की अनुमति देता है, जैसे कि यह एक बड़े रेडियो टेलीस्कोप द्वारा प्राप्त किया गया था।

इस तरह के वर्चुअल रेडियो टेलीस्कोप की दृश्यता सीमा भी इसके आकार के समानुपाती होती है। कई दूरबीनों से मिलकर एक दूरबीन के मामले में, इसका अधिकतम रिज़ॉल्यूशन प्राप्त भागों के बीच की दूरी द्वारा निर्धारित किया जाएगा। और यह जितना बड़ा होता है, संकल्प उतना ही सटीक होता है।

इस संपत्ति के लिए धन्यवाद, खगोलविदों ने महाद्वीपों को कवर करने वाले आभासी दूरबीनों का निर्माण किया। इस तरह के एक कोलोसस के लिए धन्यवाद, मिल्की वे के केंद्र में ब्लैक होल को समझाना भी संभव है। हालांकि, ब्रह्मांड में अध्ययन की गई वस्तु के बारे में सटीक जानकारी प्राप्त करने में आकार मुख्य चीज नहीं है। संकल्प की गुणवत्ता एंटेना की कुल संख्या और एक दूसरे के सापेक्ष उनके स्थान से प्रभावित होती है।

MWA का उपयोग करके प्राप्त डेटा को सुपरकंप्यूटर के साथ निकटतम डेटा सेंटर में सैकड़ों किलोमीटर भेजा जाता है। MWA प्रति दिन 25 से अधिक टेराबाइट्स डेटा भेज सकता है और आने वाले वर्षों में SKA1-low की रिलीज के साथ यह गति और भी अधिक हो जाएगी। और SKA1-low रेडियो टेलीस्कोप में 131,000 एंटेना, एक सामान्य सरणी में काम करते हुए, हर दिन एक टेराबाइट से अधिक डेटा एकत्र करेंगे।

और यह है कि रेडियो दूरबीनों की बिजली आपूर्ति के साथ समस्या हल हो गई है। मर्चिसन रेडियो खगोल विज्ञान वेधशाला में, एंटीना कॉम्प्लेक्स के लिए बिजली की आपूर्ति 1.6 मेगावाट की क्षमता के साथ सौर पैनलों द्वारा प्रदान की जाती है:



कुछ समय पहले तक, वेधशाला के एंटेना डीजल जनरेटर पर संचालित होते थे, और अब, सौर पैनलों के अलावा, इसमें लिथियम-आयन बैटरी इकाइयों की एक बड़ी संख्या है जो 2.6 मेगावाट घंटे स्टोर कर सकते हैं। एंटीना सरणी के कुछ हिस्से जल्द ही अपने स्वयं के सौर पैनल प्राप्त करेंगे।

ऐसी महत्वाकांक्षी परियोजनाओं में, वित्तपोषण का मुद्दा हमेशा तीव्र होता है। वर्तमान में, दक्षिण अफ्रीका और ऑस्ट्रेलिया में SKA1 का निर्माण बजट लगभग 675 मिलियन यूरो है। यह 10 परियोजना सदस्य देशों द्वारा निर्धारित राशि है: ऑस्ट्रेलिया, कनाडा, चीन, भारत, इटली, नीदरलैंड, न्यूजीलैंड, दक्षिण अफ्रीका, स्वीडन और यूनाइटेड किंगडम। लेकिन यह फंडिंग SKA1 की पूरी लागत को कवर नहीं करता है, जो खगोलविदों को उम्मीद है। इसलिए, वेधशाला अधिक देशों को एक साझेदारी के लिए आकर्षित करने की कोशिश कर रही है जो कि धन में वृद्धि कर सके।

रेडियो टेलिस्कोप आपको दूर की अंतरिक्ष वस्तुओं का अवलोकन करने की अनुमति देते हैं: पल्सर, क्वासर, आदि। यहां, उदाहरण के लिए, फास्ट रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करके, हम 2016 में एक रेडियो पल्सर का पता लगाने में कामयाब रहे: