مشاهده رادیویی

مشاهده رادیویی

از آنجا كه مزيت عمده استفاده از امواج راديويي براي مشاهده آسمان، امكان رصد در نور روز و هواي ابري است و با توجه به اينكه در ساخت تلسكوپ‌هاي راديويي برخلاف تلسكوپ‌هاي نوري نيازي به دقت زياد نيست، بهره‌گيري از بخش راديويي طيف الكترومغناطيسي به منظور مطالعه اجرام سماوي در طي چند دهه اخير مورد توجه بيشتري قرار گرفته است. استفاده از روش‌هايي نظير تداخل سنجي و انطباق كانون‌هاي چندين راديو تلسكوپ نيز بشر را قادر به ساخت مجموعه‌هايي عظيم از تلسكوپ‌هاي راديويي با توان تفكيك بسيار بالا ساخته است. اين مجموعه‌هاي عظيم كه هريك از هشت قسمت اصلي آنتن، پيش تقويت كننده، مخلوط كننده، نوسان ساز، تقويت كننده موج متوسط، آشكارساز مجذوري، تقويت كننده DC، و ابزار ضبط اطلاعات ساخته مي‌شود، منجمان را به تصويرسازي از اجرامي كه در بخش راديويي طيف بيشتر پرتوافشاني مي‌كنند، قادر مي‌سازد.

 

 

در اوايل قرن هفدهم ميلادي گاليله با ساختن تلسكوپ، چشم خود را به ابزاري مسلح نمود كه مي‌توانست توانايي رصد او را افزايش دهد. هر چند امروزه تلسكوپ‌هايي به مراتب قوي‌تر و حساس‌تر از آنچه گاليله ساخته بود طراحي و توليد مي‌شوند، اما اصل موضوع هنوز تغيير نكرده است. واقعيت اين است كه بايد نوري وجود داشته باشد تا تلسكوپ با جمع‌آوري و متمركز ساختن آن تصويري تهيه نمايد.

جيمز كلارك ماكسول، فيزيكدان برجسته انگليسي در قرن نوزدهم ميلادي پي به ماهيت الكترومغناطيسي نور برد. در واقع امواج الكترومغناطيسي تنها به نور محدود نمي‌شوند و طيف گسترده‌اي را در بر مي‌گيرد، اما چشم ما فقط قادر به ايجاد تصوير از محدوده خاصي از اين طيف گسترده‌ است كه ما آن را نور مي‌ناميم. براي مشاهده و درك ساير طول موج‌هاي ارسالي، احتياج به ابزاري جهت جمع‌آوري، آناليز و آشكارسازي آنها به شكل صوت يا تصوير داريم.

 

شكل 1 – طيف امواج الكترومغناطيسي

 

امواج الكترومغناطيسي طيف بسيار وسيعي از طول موج‌هاي بسيار كوچك تا بسيار بزرگ را در بر‌مي‌گيرد. اين امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسيم‌بندي مي‌كنند كه امواج گاما با طول موج‌هايي كوچك‌تر از 9-10 سانتيمتر تا امواج راديويي با طول موج بزرگ‌تر از 10 سانتيمتر را شامل مي‌شوند. شكل (1) طيف امواج الكترومغناطيسي را نشان مي‌دهد. همان‌طور كه ملاحظه مي‌شود، امواج نوري قابل ديدن توسط چشم انسان، محدوده بسيار كوچكي از اين طيف گسترده است. با حركت از سمت امواج راديويي به سمت امواج گاما، همزمان با كاهش طول موج، فركانس آن و در نتيجه انرژي موج افزايش مي‌يابد.

در هنگام رصد از سطح زمين، دريافت و آشكارسازي امواج الكترومغناطيسي با مشكلي روبرو مي‌شود كه به اثرات جوّ غليظ زمين مربوط است. جوّ زمين تنها به محدوده امواج مرئي، مايكروويو و راديويي، آن هم با جذب و پراكنده ساختن بسيار، اجازه عبور مي‌دهد. از آن‌جاكه امواج مايكروويو بخشي از امواج راديويي محسوب مي‌شود، با آشكارسازي محدوده وسيع امواج راديويي گسيل شده از آسمان، راه ديگري براي رصد اجرام سماوي گشوده مي‌شود.

 

 

شكل2 – در اين تصوير تاثير اتمسفر بر عبور امواج الكترومغناطيسي نمايش داده شده است

 

 

 


ابزاري را كه براي مشاهده راديويي آسمان مورد استفاده قرار مي‌گيرد تلسكوپ راديويي مي‌نامند كه از نظر ساختار كلي بسيار شبيه يك راديوي معمولي عمل مي‌كند، و همانند راديوهاي معمولي از آنتن، تقويت‌كننده و آشكار‌ساز تشكيل شده ا‌ست. آنتن‌ها مي‌توانند از يك آنتن ساده و معمولي نيم موج دو قطبي، نظير آنچه در گيرنده‌هاي تلويزيوني استفاده مي‌شود، تا آنتن‌هاي مجهز به بشقاب‌هاي عظيم 300 متري متغير باشند.

 

شكل 3 – شماي كلي يك راديو تلسكوپ

 

در تلسكوپ‌هاي راديويي همانند همتاهاي نوري آنها، بزرگ بودن سطح جمع‌آوري كننده امواج از دو جنبه مفيد است. اول، توان جمع‌آوري امواج براي رصد منابع ضعيف و يا خيلي دور افزايش مي‌يابد و دوم اينكه توان تفكيك نسبت مستقيمي با قطر بشقاب آنتن دارد. هر چه قدرت تفكيك تلسكوپي بيشتر باشد، توانايي آن براي جداسازي جزييات تصوير افزايش خواهد يافت. قدرت تفكيك تلسكوپ‌ها رابطه تنگاتنگي با سطح جمع‌آوري كننده امواج و طول موج آنها دارد. هر چه سطح جمع‌آوري كننده بزرگ‌تر و طول موج امواج الكترومغناطيسي كوچك‌تر باشد، قدرت تفكيك تلسكوپ افزايش مي‌يابد.

اولين مشكل تلسكوپ‌هاي راديويي، كاهش قدرت تفكيك آنها با افزايش طول موج است. تلسكوپ‌هاي راديويي در مقابل همتايان نوري خود كه موظف به جمع‌آوري و آشكارسازي امواجي در محدوده طول موج 4-10 تا 5-10 سانتيمتر هستند، بايد امواجي با دامنه طول موج وسيع، از يك ميليمتر تا چندين متر را جمع‌آوري نمايند. اين امر باعث مي‌شود كه توان تفكيك اين گونه از تلسكوپ‌ها به شدت كاهش پيدا كند. براي مثال قدرت تفكيك يك تلسكوپ نوري 50 سانتيمتري، 2/0 ثانيه قوسي (معادل 00005/0 درجه) است، در حالي كه قدرت تفكيك يك تلسكوپ راديويي بخصوص، با همين قطر دهانه 138 درجه خواهد بود. چنين تلسكوپي عملاً كارايي ندارد. اما از سوي ديگر و باز هم به دليل طول موج‌هاي متفاوتي كه اين دو گونه تلسكوپ رصد مي‌نمايند، ساخت بشقاب‌هاي آنتن راديو تلسكوپ بسيار ساده‌تر از ساخت آينه و يا عدسي است. صاف بودن سطح بازتاب كننده‌ي خوب، رابطه مستقيمي با طول موجِ امواجي دارد كه بايد از سطح آن بازتابيده شوند. مي‌توان فرض كرد، زماني بازتاب كننده‌اي مورد قبول خواهد بود كه قطر يا ضخامت هيچكدام از خُلَل و فَرج‌ها روي آن از 05/0 طول موج مورد نظر بيشتر نباشد، بنابراين، بشقاب آنتني كه قرار است براي امواجي به طول موج حداقل 20 سانتيمتر، ساخته شود، مجاز به داشتن ناهمواري‌هايي تا قطر 1 سانتيمتر است. اين مقدار ناهمواري كه براي بشقاب تلسكوپ راديويي مجاز به شمار مي‌رود، براي آينه يك تلسكوپ نوري فاجعه به حساب آمده و عملاً آن را غير قابل استفاده مي‌نمايد.

به دليل گفته شده در بالا مي‌توان راديوتلسكوپ‌هايي با بشقاب 300 متري ساخت، كاري كه در مورد تلسكوپ‌هاي نوري به يك معجزه شباهت دارد. براي مقايسه، بد نيست بدانيد اگر مي‌شد يك تلسكوپ نوري، با آينه 300 متري ساخت، قادر بوديم ستاره شعراي يماني را به وضوح و پرنوري يك قرص ماه كامل مشاهده نماييم.

مزيت عمده استفاده از امواج راديويي براي مشاهده آسمان، امكان رصد در نور روز و هواي ابري است. در طول روز پخش نور خورشيد توسط مولكول‌هاي گازيِ جوّ زمين باعث مي‌شود كه لايه‌اي روشن و آبي اطراف ما را احاطه كند. شدت روشنايي جوّ زمين در روز به حدي است كه قادر به ديدن ستاره‌هاي كم فروغ بالاي سرمان نمي‌شويم. تنها جرم پرنوري مانند خورشيد و يا در بعضي زمان‌هاي خاص، ماه نسبتاً كامل را مي‌توان در طول روز رؤيت كرد. همچنين نور مرئي قادر به گذر از لايه‌هاي ضخيم و متراكم بخار آب نيست. اين موضوع به دليل موج كوچك نور است. هيچ‌كدام از مواردي كه ياد شد براي امواج راديويي با طول موج‌هاي بزرگي كه دارند مانع و يا مزاحم شناخته نمي‌شوند و عمليات رصد راديويي پيوسته ادامه دارد.

در مورد تلسكوپ‌هاي راديويي بسيار عظيم، نظير راديو تلسكوپ 305 متري آرسيبو واقع در كشور پورتوريكو، يك مشكل اساسي وجود دارد و آن، اين كه حركت دادن چنين مجموعه عظيمي براي تنظيم روي سوژه مورد نظر، غير ممكن است. از اين رو دانشمندان براي رصد يك جرم سماوي خاص، بايد آنقدر صبر كنند تا در اثر چرخش زمين به دور خودش و يا خورشيد، هدف در راستاي ديد اين بشقاب بزرگ قرار گيرد.

براي رفع اين مشكل و همچنين به دليل نياز به قدرت تفكيك بيشتر، روش ديگري در ساخت و استفاده از راديو تلسكوپ‌ها به وجود آمده است كه مبتني بر تداخل‌سنجي راديويي است. در اين روش مجموعه‌اي از چند راديو تلسكوپ به نسبت كوچك‌تر، با كمك هدايت كننده‌هاي كامپيوتري در جهت خاصي تنظيم شده و سيگنال‌هاي دريافتي از آنها آناليز مي‌شود تا تصوير واحد و واضحي به دست آيد. اخترشناسان راديويي با استفاده از روش تداخل‌سنجي قادر به رصد آسمان با دقتي افزون بر 001/0 ثانيه قوسي هستند.

 

شكل 4 – راديو تلسكوپ عظيم 305 متري واقع در پورتوريكو بر زمين ثابت بوده و همواره به هرسو نظر دارد. البته با تغيير موقعيت، وضعيت و ارتفاع كلاهك آنتن، چرخش محدودي شبيه‌سازي مي‌شود

 

در اين روش آنتن‌ها را روي خطي كه خط مبنا ناميده مي‌شود، به دنبال هم نصب مي‌كنند. معمولا نصب آنتن‌ها روي ريلي عمود بر خط مبنا صورت مي‌گيرد تا در صورت لزوم بتوان زاويه خط را نسبت به نصب مرجع تغيير داد. حال چنانچه امواج دريافتي عمود بر خط مبنا نباشند، تلسكوپ‌ها در فواصل زماني متفاوت، موج يكساني را دريافت مي‌كنند. با استفاده از الگوريتم‌هاي رياضي و توجه به فواصل زماني دريافت سيگنال‌ها، مي‌توان موقعيت منبع راديويي را با دقت بسيار خوبي تخمين زد. هر چه فاصله تلسكوپ‌ها از يكديگر بيشتر باشد، اختلاف زماني و در نتيجه دقت اندازه‌گيري افزايش خواهد يافت. در اين روش، فاصله اولين تا آخرين تلسكوپ، معادل قطر بشقاب تلسكوپ واحد در نظر گرفته مي‌شود.

نمونه‌اي از اين گونه تلسكوپ‌ها، مجموعه‌اي با نام آرايه خيلي بزرگ (VLA) است كه در نيومكزيكوي آمريكا قرار داشته و طول خط مبناي آن 36 كيلومتر است. اين مجموعه عظيم از 27 عدد تلسكوپ با قطر بشقاب 25 متر تشكيل شده است. آنتن‌ها روي ريل‌هايي قرار گرفته‌اند تا دانشمندان بتوانند آنها را در چيدمان‌هاي مختلف تنظيم نمايند.

 

 

شكل 5 – مجموعه تلسكوپ‌هايي به نام “آرايه خيلي بزرگ” كه در نيومكزيكوي آمريكا قرار دارد

 

روش ديگري نيز براي استفاده از مجموعه تلسكوپ‌ها وجود دارد كه مستقل از بحث تداخل‌سنجي است. همانطور كه گفته شد، ميزان توان تفكيك تلسكوپ‌هاي راديويي تك بشقابي در فركانسي خاص، به قطر آنتن بشقابي تلسكوپ بستگي دارد. اگر بنا به دلايلي تمام سطح بشقاب، غير از لبه‌هاي آن را از دست بدهيم، تغييري در توان تفكيك تلسكوپ ايجاد نخواهد شد، هرچند كه قدرت جمع‌آوري امواج كاهش خواهد يافت. پس اگر قادر باشيم تعدادي آنتن تلسكوپ را به گونه‌اي نصب كنيم كه كانون آنها بر هم منطبق شود، نتيجه درست شبيه استفاده از يك آنتن بشقابي بسيار بزرگ خواهد بود. هر چه تعداد اين بشقاب‌ها بيشتر باشد قدرت جمع‌آوري امواج نيز بيشتر خواهد شد، اما توان تفكيك مجموعه به فاصله اولين وآخرين بشقاب بستگي دارد.

 

شكل 6 – با اين روش هرچند توان تفكيك مجموع تلسكوپ‌ها به ميزان تلسكوپ فرضي عظيم افزايش مي‌يابد اما مجموعه قدرت جمع‌آوري امواج به آن مقدار را ندارد

 

دامنه موج‌هاي راديويي، طيف وسيعي از نواحي با طول موج كوچك‌تر از يك سانتيمتر تا نواحي با طول موج بزرگ‌تر از چند صد متر را شامل مي‌شود. اگر چه تلسكوپ راديويي قادر به دريافت تمامي طول موج‌هاي راديويي است، اما معمولا محدوده كوچكي از آنها آشكارسازي مي‌شود. براي مثال دستگاهي با تغذيه كننده و گيرنده امواجي كه براي موج‌هايي با طول موج 6 سانتيمتر ساخته شده است، قادر به آشكارسازي امواجي بين 7/5 تا 3/6 سانتيمتر است.

براي آشكار سازي امواج ضعيف، بايد سطح جمع‌آوري كننده بزرگي ساخت، اما دريافت طول موج‌هاي كوتاه، احتياج به سطحي صيقلي و پرداخت شده دارد كه ساخت آن در ابعاد بزرگ، كاري سخت و گاهي نشدني به حساب مي‌آيد. به همين دلايل، هيچ تلسكوپ راديويي، نمي‌تواند در تمامي دامنه امواج راديويي به خوبي كار كند. اين مشكل در طيف امواج مرئي به دليل اختلاف بسيار اندك بين طول موج‌هاي قرمز تا بنفش، وجود ندارد و بنابراين تلسكوپ‌هاي نوري در تمام طيف امواج قابل ديدن، به خوبي كار مي‌كنند.

همانند آنچه در مورد رصد نوري صادق است، در رصدهاي راديويي نيز احتياج به منابع عظيم و قدرتمند تاباننده امواج راديويي داريم. در منظومه شمسي دو منبع تابش امواج راديويي وجود دارد. اولين منبع، خورشيد است كه امواج راديويي گسيل شده از آن طول موجي حدود 10 متر و فركانسي حداقل معادلMHz 30 دارد. گسيل خورشيدي بستگي فراواني به چگونگي فعاليت‌هاي آن دارد و شامل محدوده و قدرت مشخصي نيست. دومين منبع گسيل امواج راديويي، سياره مشتري با دو محدوده متفاوت و پيچيده تابش است. محدوده اول كه طول موج بزرگ‌تري حدود 7 تا 70 متر دارد، مربوط به گسيل حرارتي مشتري است و محدوده دوم با طول موج كوچك‌تر، حدود 10 سانتيمتر، مربوط به گسيل غير حرارتي آن است.

 

 


همانطور كه گفتيم، راديوتلسكوپ‌ها همانند دستگاه‌هاي راديويي معمولي كه در تمام منازل يافت مي‌شود، كار مي‌كنند. اما ميان اين دو وسيله، دو تفاوت عمده وجود دارد. اول امواجي كه راديو‌تلسكوپ‌ها مجبور به آشكار سازي آنها هستند، بسيار ضعيف بوده و دوم راديوتلسكوپ‌ها بايد تمام سيگنال‌هاي دريافتي را براي آناليزهاي بعدي ذخيره نمايند. از نظر ساختماني، يك راديو تلسكوپ را مي‌توان به هشت قسمت اصلي و مهم زير تقسيم‌بندي نمود:

 

شكل 7 – ساختمان يك راديو تلسكوپ

 

1- آنتن

2- پيش تقويت كننده يا آمپلي‌فاير اوليه

3- مخلوط كننده

4- نوسان ساز

5- تقويت كننده موج متوسط يا آي‌اِف

6- آشكارساز مجذوري

7- تقويت كننده DC

8- ابزار ضبط اطلاعات

 

 


در عالم الكترونيك، آنتن به سيستمي مشتمل بر سيم‌ها و يا ساير اجسام هادي گفته مي‌شود كه جهت ارسال و يا دريافت امواج راديويي يا ساير امواج الكترومغناطيسي به كار مي‌رود. اين ايده اولين بار توسط گاگليلمو ماركوني در سال 1897 ارائه شد.

در يك آنتن فرستنده، سيگنال‌هاي رسيده از مدار الكتريكي باعث نوسان الكترون‌ها در آنتن مي‌شوند. حركت بار الكتريكي باعث توليد ميدان الكترومغناطيسي در اطراف خود شده و اين ميدان به نوبه خود امواج الكترومغناطيسي را در جهت خاصي كه به طراحي آنتن بستگي دارد پخش مي‌كند. براي مثال، آنتن ايستگاه‌هاي راديويي به گونه‌اي طراحي مي‌شوند تا امواج را در تمام جهات به طور يكسان پخش نمايند اما از آن سو آنتن‌هاي يك دستگاه رادار امواج را در جهت خاصي منتشر مي‌نمايد.

در آنتن‌هاي گيرنده، مسير بر عكسي براي توليد جريان در مدار آنتن طي مي‌شود. ابتدا امواج الكترومغناطيسي به گونه‌اي باعث تحريك الكترون‌ها مي‌شوند و جريان القايي در مدار آنتن توليد مي‌گردد، سپس اين جريان در مدارهاي الكتريكي خاصي تقويت و فيلتر ‌شده و در نهايت اطلاعات آن استخراج مي‌شود.

در راديو تلسكوپ‌ها و يا در تلسكوپ‌هاي راداري، معمولا از آنتن‌هاي بشقابي براي دريافت امواج استفاده مي‌كنند. آنتن راديوتلسكوپ‌ها آشكارترين بخش آن است كه موظف به جمع‌آوري امواج راديويي فوق‌العاده ضعيفي هستند كه از اعماق فضا به زمين مي‌رسد. اغلب اين آنتن‌ها بسيار بزرگند تا تلسكوپ قادر به نگاه دقيق‌تر و عميق‌تري به فضا باشد.

 

 


سيگنال‌هاي راديويي گسيل شده از فضا بسيار ضعيف هستند. ضعف اين سيگنال‌ها زماني بيشتر نمايان مي‌شود كه بدانيم، اگر تمامي انرژي حاصل از دريافت اين سيگنال‌ها را از ابتداي تاريخ مشاهده فضا با تلسكوپ‌هاي راديويي، با هم جمع كنيم به سختي قادر به آتش زدن يك چوب كبريت خواهيم شد. متوسط انرژي سيگنال‌هاي راديويي كه از فضا دريافت مي‌شوند در حدود 5-10 2x وات است.

براي اندازه‌گيري و مشاهده چنين سيگنال ضعيفي بايد آنچه را كه دريافت مي‌كنيم ميليون‌ها بار تقويت نماييم. اما مشكل زماني خود را نشان مي‌دهد كه بدانيم ابزارهاي الكتريكي كه در راديوتلسكوپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، در زمان عملكرد نويزهاي فراواني توليد مي‌كنند. اگر قادر به تشخيص و حذف اين اغتشاشات نباشيم، در فرآيند تقويت امواج، آنها نيز به شدت تقويت شده و امواج ضعيف دريافتي در پس امواج قوي اغتشاشي ناپديد مي‌گردند.

نقش پيش تقويت كننده‌ها، تقويت محدوده خاصي از امواج به گونه‌اي است، كه كمترين اغتشاش را به آنها وارد كند. به همين دليل اغلب، اين تقويت كننده را تقويت كننده كم اغتشاش مي‌نامند.

براي كاهش اغتشاشات، معمولا از ترانزيستورهاي بسيار ويژه‌اي در اين تقويت كننده‌ها استفاده مي‌شود و در ضمن، با سرد كردن آنها تا دماهاي نزديك به صفر مطلق، اغتشاش را كم مي‌كنند.

 

 


وظيفه مخلوط كننده كاهش و تغيير فركانس سيگنال‌هاي دريافتي از پيش‌تقويت كننده است. اين كار به دو دليل انجام مي‌گيرد. اول اينكه از نظر تكنيكي، ساخت تقويت كننده‌ها، فيلترها و ساير قطعات الكترونيكي كه قادر به كار با امواج فركانس بالا باشند، سخت و گران است. دوم اينكه اگر ما تمام تقويت‌ها را با فركانسي كه دريافت مي‌كنيم انجام دهيم، امكان بازگشت امواج به آنتن و توليد پس‌خور به شدت افزايش خواهد يافت. اين اثر مشابه حالتي است كه يك سخنران ميكروفن را بسيار نزديك به دهان نگه دارد.

براي انجام اين كار مخلوط‌كننده موظف است تا سيگنال‌هاي دريافتي از پيش‌تقويت‌كننده را روي سيگنال‌هايي با طول موج بالا و فركانس پايين كه از دستگاه نوسان ساز دريافت مي‌كند، سوار نمايد. اين كار در مخلوط‌كننده به دو شكل و همزمان صورت مي‌گيرد. مخلوط‌كننده دو موج خروجي داشته كه يكي حاصل جمع دو ورودي و ديگري حاصل تفريق آنهاست. با گذراندن اين دو خروجي از يك فيلتر، هركدام كه فركانس كمتري داشته باشد، انتخاب شده و به عنوان سيگنال ورودي به تقويت‌كننده آي‌اِف ‌فرستاده مي‌شود.

 

 


اكثر راديو‌تلسكوپ‌ها از نوسان‌سازهاي كوارتزي استفاده مي‌كنند. مزيت عمده استفاده از كريستال‌هاي كوارتز در توليد نوسان، پايداري خوب و اغتشاش كم در خروجي آنها است. از آنجايي‌كه طبيعت راديو‌تلسكوپ‌ها اقتضا مي‌كند تا در گستره وسيعي از امواج عمل نمايند، اغتشاشي اندك در نوسان توليدي، قابل اغماض است. اگرچه اغتشاشات آنقدر بزرگ نيستند كه توليد مزاحمت نمايند اما بايد مراقب بود كه اين اغتشاشات، نويزهاي طبيعي سيستم را تشديد ننمايند، چراكه در آن صورت سيگنال‌هاي خروجي تلسكوپ تغيير خواهد كرد و اغتشاشات همانند دريافت واقعي تفسير خواهند شد.

 

 


در يك تقويت كننده موج متوسط با استفاده از فيلترهاي مخصوصي، تنها به محدوده‌اي خاص از امواج اجازه عبور مي‌دهند. اگرچه محدوديتي در انتخاب فركانس كاري تقويت‌كنندهاي آي‌اِف وجود ندارد اما معمولا فركانس‌هاي 70، 45، 4/21 و 7/10 مگاهرتز در آنها به عنوان فركانس كاري در نظر گرفته مي‌شود. به اين ترتيب فركانس‌هاي زائد حذف شده و محدوده خاصي كه مورد نظر است به شدت تقويت و آشكار مي‌شود.

در راديوهاي رايج، مداري وجود دارد كه به مجموعه آن كنترل خودكار بهره مي‌گويند. اين مدار براي دريافت صدايي واضح‌تر و شفاف‌تر، تغييرات اندك و ناچيز در قدرت سيگنال‌هاي دريافتي راحذف مي‌كند. در رصد راديويي اين تغييرات اندك و جزئي دقيقا همان چيزي است كه ناظران به دنبال آن هستند. بنابراين زماني كه از راديوهاي معمولي براي رصدهاي راديويي استفاده مي‌گردد، اين مدار را بايد از كار انداخت.

 

 


اگر سيگنال خروجي تقويت‌كننده آي‌اِف را به يك ولت‌‌متر جريان مستقيم وصل كنيم، صفحه نمايشگر مقدار صفر را نشان خواهد داد. اين امر به دليل ماهيت نوساني فركانس است كه زماني بيش از صفر و زماني كمتر از صفر است.

براي اينكه قادر باشيم تعريف خوب و قابل دركي از انرژي دريافتي از آسمان ارائه دهيم، معمولاً از قطعه ساده‌اي براي هم علامت كردن و يا حذف قسمت منفي موج استفاده مي‌كنيم. در اكثر راديوتلسكوپ‌ها اين قطعه ساده كه يك ديود معمولي است، فقط به جريان‌هايي با ولتاژ مثبت اجازه عبور مي‌دهد. به اين ترتيب ولتاژي كه ولت‌سنج نشان مي‌دهد برابر با جذر ولتاژ ورودي است.

 

 


در طي فرآيند يكسو‌سازي ولتاژ و همچنين قبل از آن، مقادير زيادي اغتشاش ناشي از عملكرد ابزارهاي الكترونيكي به موج اصلي اضافه مي‌شود. از آنجايي‌كه قدرت امواج دريافت شده از فضا بسيار ضعيف است، در لواي اغتشاشات هر چند كوچك پنهان خواهد شد.

براي كم‌رنگ كردن اين موضوع معمولا از انتگرالگيرهايي با پله زماني معلوم استفاده مي‌كنند. اين امر باعث مي‌شود كه قله‌هاي بسيار بزرگ اغتشاشات روي سطح ملايم موج اصلي سرشكن شود و تنها اندكي قدرت موج دريافتي را تغيير دهد.

 

 


اطلاعات به دست آمده بعد از اين همه فرآيند و تحليل، بسيار ارزشمند بوده و بايد ذخيره شوند. اين اطلاعات را كه معمولا ماتريس دو ستونه‌اي از ولتاژ بر حسب زمان هستند، در قديم توسط قلم‌هاي خودكار و بر روي كاغذهاي بسيار طويل به شكل نمودار ذخيره مي‌كردند. امروزه اين روش تقريبا منسوخ شده و اطلاعات بعد از تبديل به سيگنال‌هاي ديجيتال در يك كامپيوتر ذخيره و نگهداري مي‌شوند.

اطلاعات ذخيره شده معمولا عبارتند از ولتاژ، پله زماني دريافت، زمان دقيق ثبت اطلاعات و در نهايت دما. دماي محيط و سيستم در آناليز اطلاعات ذخيره شده بسيار مهم است چون همانطور كه تا به حال توضيح داده شد، دما نقش زيادي در توليد اغتشاشات الكتريكي دارد.

 

در نهايت، حاصل نگريستن به آسمان با يك راديوتلسكوپ عددي است كه نماينده قدرت امواج دريافتي از آن محدوده است. اگر زاويه ديد راديو تلسكوپ مورد استفاده 1 درجه باشد، با هر بار رصد مقدار عددي ولتاژي را به دست مي‌آوريم كه متناظر با قدرت امواج راديويي گسيل شده از آن منطقه است. حال مي‌توان با چرخاندن راديوتلسكوپ و دريافت اطلاعات ساير نقاط در آن حوالي، نقشه راديويي منطقه‌اي از آسمان تهيه كرد. اين نقشه راديويي، ماتريسي از اعداد است كه با توجه به زاويه ديد تلسكوپ، وسعت مشخصي از فضا را در بر مي‌گيرد. هر قدر زاويه ديد تلسكوپ كوچك‌تر باشد، قدرت تفكيك تصاوير حاصل از آن افزايش مي‌يابد. جدول (1) نمونه‌اي از اطلاعات ذخيره شده از آسمان را نمايش مي‌دهد:

 

جدول 1 – نمايش عددي يك چشمه راديويي توسط ماتريسي از اعداد

 

 


بعد از دريافت امواج راديويي، نوبت به تحليل و بررسي آنها مي‌رسد. گوش دادن، روش مناسبي براي درك آنچه دريافت مي‌شود، نيست. چنانچه به امواج دريافت شده از يك تلسكوپ راديويي گوش دهيد، صدايي همانند صداي يك تلويزيون و يا راديو، هنگامي كه روي هيچ كانالي تنظيم نشده باشد، خواهيد شنيد. امواج راديويي دريافتي از فضا، بسيار ضعيف و همراه با نويزهاي متفاوتي مي‌باشند. دانشمندان علاوه بر تقويت و رسم شدت امواج دريافتي و يا حتي گاهي گوش دادن به سيگنال‌هاي متناوب، در اغلب اوقات مبادرت به ايجاد تصويري مجازي از آنچه دريافت كرده‌اند، مي‌نمايند.

رنگ، روش چشم ما براي توصيف امواج است. امواج نوراني قابل ديدن، قسمت بسيار كوچكي از طيف وسيع امواج الكترومغناطيسي مي‌باشد. ما براي رؤيت اين محدوده كوچك به سه رنگ اصلي آبي، سبز و قرمز، مجهز هستيم. چنانچه مقايسه ساده‌اي بين محدوده طول موج امواج مرئي و امواج راديويي انجام دهيم، ملاحظه خواهيم كرد كه براي تفكيك دقيق امواج راديويي در چشم، حداقل به 20 رنگ اصلي نياز داريم. از آنجاييكه چنين محدوده رنگي در دسترس نيست، براي مرئي‌سازي امواج راديويي با مشكل تمايز محدوده‌ها روبرو مي‌شويم. بنابراين براي مرئي سازي امواج راديويي، معمولاً از روش‌هاي مختلفي استفاده مي‌كنند. ساده‌ترين روش، انتخاب رنگ سفيد براي بيشترين انرژي دريافتي در محدوده رصد و رنگ مشكي براي انرژي صفر است. ساير نقاط بين اين دو، متناسب با ميزان انرژي دريافتي، به يكي از رنگهاي خاكستري مزين خواهد شد. اين روش كه سايه‌زني خطي ناميده مي‌شود، ناكارآمدترين و غير قابل استفاده‌ترين روش است. همانطور كه قبلا گفته شد، به دليل وسعت محدوده طول موج امواج راديويي، در تصاوير ساخته شده با اين روش، تقريبا تمامي نقاط كم انرژي تصوير سياه ديده شده و تنها منابع اصلي امواج راديويي به صورت نقاط سفيدي رؤيت مي‌شوند.

 

شكل 8 – روش خطي براي تصويرسازي راديويي نتايج خوبي به بار نمي‌آورد

 

براي اصلاح اين موضوع معمولا نقاط با درخشندگي بيش از 10% درخشان‌ترين نقطه تصوير را سفيد فرض مي‌كنند و طيف خاكستري تا مشكي را به ساير نقاط و با توجه به ميزان درخشندگي آنها اختصاص مي‌دهند. عيب مهم اين روش، از دست رفتن بسياري از جزئيات مربوط به نقاط درخشان است و در ضمن هنوز نواحي بسيار كم فروغي از تصوير، ديده نمي‌شوند.

 

شكل 9 – در اين تصوير بسياري از جزئيات از بين رفته است

 

روش بهتري كه معمولا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، روش سايه‌زني لگاريتمي است. در اين روش همانند آنچه قبلا گفته شد، درخشان‌ترين نقاط را سفيد و تاريكترين آنها سياه در نظر گرفته شده و نقاط ميانه با خاكستري متناسبي رنگ مي‌شود. اما آنچه در اين روش متفاوت است اين است كه قبل از مقدار دهي رنگ‌ها با توجه به مقدار درخشندگي نقاط، از درخشندگي نقاط، لگاريتم در مبناي ده مي‌گيريم و سپس به حاصل لگاريتم رنگي متناسب اختصاص مي‌دهيم. با استفاده از اين روش جزئيات بيشتري از تصوير، چه در محدوده‌هاي درخشان و چه در محدوده‌هاي كم‌نور مشاهده خواهد شد.

 

 

شكل 10 – اين تصوير جزئيات را به خوبي نشان مي‌دهد

 

http://www.isa.ir/enc/library/upload/article/44_11.JPG

شكل 11 – نمايش جزئيات با طيف رنگي بهتر صورت مي‌پذيرد

 

يكي ديگر از روش‌هاي تصويرسازي امواج راديويي، استفاده از طيف‌هاي مختلف رنگي به جاي طيف سياه و سفيد است كه به روش رنگ‌هاي دروغين خطي مشهور است. در اين روش از محدوده‌هاي هر رنگ اصلي براي تصوير سازي درخشندگي‌هاي متفاوت استفاده مي‌شود.

 

يك روش مرسوم رنگ كردن نقاط بسيار درخشان با رنگ‌هاي فوقاني طيف مانند بنفش و نقاط كم سوتر با رنگهاي زيرين طيف مانند قرمز است. نقاط مياني متناسب با نقاط بيشينه يا كمينه رنگ‌آميزي مي‌شوند. البته قراردادها و روش‌هاي بسيار متفاوتي براي تصوير سازي در اين روش وجود دارد كه كاملا اختياري است. در تصاوير شكل (11)، با سه روش متفاوت، داده‌هاي مربوط به اشكال قبلي نمايش داده شده‌اند. همانند دو روش گفته شده در مورد سايه‌زني، در روش رنگهاي دروغين نيز، علاوه بر رنگ‌آميزي خطي، از روش رنگ‌آميزي لگاريتمي هم استفاده مي‌شود كه باعث توليد تصاويري واضح‌تر و گوياتر مي‌گردد. تصوير زير حاصل رنگ‌آميزي لگاريتمي داده‌هاي مثال است. همانطور كه مشهود است، جزئيات بيشتري از قله‌ها و دره‌هاي انرژي در اين تصوير نشان داده شده است.

 

شكل12 – جزئيات بيشتري در رنگ‌آميزي لگاريتمي خود را نشان مي‌دهند

 

 


همانطور كه در مورد نور خورشيد مرسوم است و ما بازتاب آن را از سطح ساير اجرام سماوي نزديك به خود دريافت مي‌كنيم، قاعدتا دريافت و آناليز امواج راديويي بازتابيده از سطح آنها نيز بايد روشي براي رصد راديويي به شمار رود. اما معمولا از اين روش براي آناليز سطحي و يا شناسايي اجرام فضايي استفاده نمي‌شود. دليل عمده آن به عدم يكنواختي و مشخص نبودن چگونگي تابش از منابع طبيعي راديويي كه در دسترس ما است، بر مي‌گردد. به اين دليل دانشمندان براي آناليز و يا رؤيت راديويي اجرام سماوي، اقدام به گسيل امواج راديويي به سمت آنها و دريافت بازتابش آن نموده‌اند. اين اقدام در مورد امواج نوري به دليل طول موج بسيار كوتاه آنها مقدور نيست. چون هر چه طول موج امواج الكترومغناطيسي كاهش مي‌يابد، علاوه بر انرژي بيشتري كه براي توليد آنها مورد نياز است، ميزان پراكندگي و استهلاك آنها در مسير نيز افزايش مي‌يابد. اين دو موضوع در مورد امواج راديويي با طول موج‌هاي بزرگ چندان حاد نيست. تاباندن و دريافت كردن امواج الكترومغناطيسي به سوي اجرام سماوي نزديك، مقوله ديگري به نام رادار را مطرح مي‌كند.

رادار در زبان انگليسي كوتاه واژه‌اي است كه معني كلمات تشكيل دهنده آن تشخيص و مسافت‌يابي راديويي است. رادار در واقع مجموعه‌اي از ابزار و روش‌ها است كه با استفاده از آنها و به‌واسطه خاصيت بازتابي امواج الكترومغناطيسي، مي‌توان خصوصيات فيزيكي، شكل، موقعيت، سرعت و جهت حركت اجسام دور دست را تشخيص داد.

طول موج امواج الكترومغناطيسي كه در رادارها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، محدود نيست. بعضي از رادارها با فركانس‌هاي زير 100 مگاهرتز (امواج راديويي با طول موج بسيار بزرگ) و بخشي ديگر در محدوده امواج مادون قرمز كار مي‌كنند.

يك سيستم راداري از سه قسمت فرستنده، گيرنده و آشكار‌ساز امواج تشكيل مي‌شود. ساختمان گيرنده و آشكارساز بسيار شبيه تلسكوپ‌هاي راديويي است. امواج الكترومغناطيسي در محدوده مشخصي توسط يك آنتن جهت دار به سمت بخصوصي فرستاده شده و قسمتي از اين امواج توسط اشيايي كه در معرض تابش آنها قرار گرفته‌اند، بازتابانده مي‌شوند. امواج بازتابيده توسط يك آنتن كه معمولا از نوع بشقابي است جمع‌آوري شده و توسط ابزارهاي مخصوصي آشكارسازي مي‌شوند. در حال حاضر انواع مختلفي از رادارهاي رهگيري و تجسسي براي اهداف علمي و دفاعي به كار مي‌روند.

رادار در طول سالهاي 1935 تا 1940 توسط كشورهاي مختلفي و به صورت مستقل از يكديگر براي به كارگيري در اهداف نظامي ساخته و بهبود بخشيده شد. يكي از اولين سيستم‌هاي راداري در سال 1935 توسط “سر رابرت واتسون وات” كه فيزيكداني اهل اسكاتلند بود، ساخته شد. تكنولوژي اين سيستم خيلي زود توسط ساير كشورهاي درگير در جنگ جهاني دوم، كشف گرديد. هر كدام از اين كشورها با توجه به توانايي‌هاي علمي و تكنيكي خود، در صدد بهبود عملكرد و عملياتي‌تر كردن آن برآمدند. در طول جنگ رادارها بسيار پيشرفت كردند. قدرت تابش بيشتر، آنتن‌هاي بزرگ‌تر و دقيق‌تر، مدارهاي الكتريكي بهينه‌تر و مباني محاسباتي پيشرفته‌تر، روز به روز بر توانايي رادارها مي‌افزود.

 

 

شكل 13 – از رادار هاكس جهت شناسايي و رهگيري پسماندهايي فضايي استفاده مي‌شود

 

 

در سال 1946 بشر براي اولين بار قادر به دريافت بازتابش امواجي از سطح ماه شد كه خود تابانده بود. آناليز و مشاهده راداري فضا در سال 1958 با دريافت سيگنال‌هاي ارسالي به سطح سياره زهره و در سال 1959 با آناليز راداري خورشيد ادامه يافت. اين تلاش‌ها راه جديدي براي مطالعات ستاره‌شناسان باز كرد كه تا كنون ادامه دارد. . هم اكنون استفاده از رادار در مشاهده پسماندهاي فضايي ما را قادر به رهگيري و ثبت اطلاعات پسماندهايي بزرگ‌تر از يك سانتيمتر در مدارهاي LEO نموده است. انجام اين كار توسط تلسكوپ‌هاي نوري بيشتر شبيه يك روياست.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s