بزرگترین تلسکوپ دنیا در چین چگونه کار می کند؟

هفته نامه همشهری جوان – محمد تقی حاجی موسی: از وقتی انسان به آسمان نگاه کرد، بعد از احساس گردن درد احتمالا به این فکر کرد که آیا ممکن است یک نفر هم از آن طرف در حال نگاه کردن به او باشد؟ به همین خاطر حتی در آثار تمدن های قدیمی هم می شود نشانه هایی از موجودات ماورایی و بیگانه دید و در یکی دو قرن گذشته با پیشرفت علم، این موضوع از همیشه داغ تر شد. بسیاری ادعا کردند در بیابان های سوزان روی زمین موجوداتی را دیده اند که شبیه آدم های فضایی بوده اند و معلوم نیست این شباهت را چه کسی تایید می کند.

برخی از دیدن سفینه بیگانگان در نقاط مختلف شهر هایشان گفتند و هر از گاهی تصاویری هم از آن ها منتشر شد که بعدا معلوم شد یا عامل انتشار زیادی غذا خورده بوده یا تصویر متعلق به آزمایش موشکی فلان کشور است اما همه این ها باعث نشده انسان احتمال زندگی موجوداتی دیگر در کرات دیگر را از سرش بیرون کند و هر کاری می کند تا بفهمد بالاخره در آن سر کهکشان چه خبر است.

این هر کاری شامل دید زدن هر لحظه ای آسمان توسط تلسکوپ های رایج و البته فرستادن تلسکوپ های فضایی و سفینه ها به نقاط دور دست منظومه شمسی و کهکشان راه شیری است بلکه شاید روزی یک نفر از آن سر گیتی جواب سلام ما را داد و ما هم توانستیم آن را بشنویم  و این طوری با یکدیگر آشنا شدیم.

حالا در آخرین تلاش برای پیدا کردن موجودات غیر زمینی، دانشمندان چینی از پنج سال قبل دست به کار شده اند و در نقطه ای مرتفع از کشورشان بک تلسکوپ رادیویی غول آسا ساخته و نصب کرده اند؛ سازه ای عظیم که مساحت بشقاب آن با قطر 500 متر بیشتر از 30 زمین فوتبال استاندارد است و می خواهد صدای ای تی و دوستانش را به ما برساند؛ تلسکوپی که این بار به جای دیدن فقط صدای  آسمان را گوش می کند.

تلسکوپ رادیویی

– تلسکوپ کروی با دهانه 500 متری یا به اختصار FAST. این نامی است که روی این چشم یا شاید بهتر باشد بگوییم گوش عظیم گذاشته اند. قبل از این یعنی تا 25 سپتامبر امسال لقب بزرگترین تلسکوپ دنیا به مدت 53 سال متعلق به آرچیبو در پورتوریکو بود. هرچند تلسکوپ روسی RATAN- 600 هم دهانه ای 576 متری دارد اما دیش آن حالت یکپارچه ندارد و به همین خاطر در این دسته بندی قرار نمی گیرد. برای ساخت FAST از سال2011 تاکنون 185 میلیون دلار هزینه شده و حداقل 4450 پنل مثلثی شکل کنار هم قرار گرفته اند تا سازه اصلی شکل بگیرد.

محل قرار گرفتن آن هم در استان گوییژو است که از میان 400 نقطه در 10 سال انتخاب شد. اطراف آن دره ای قرار دارد که کاملا به شکل یک کاسه گرد است و کوه های اطراف مزاحمتی برای تداخل فرکانسی ایجاد نمی کنند. قبلا در این مکان یک دهکده وجود داشت که حتی به برق هم دسترسی نداشت و حالا بعد از کوچ دادن اهالی آن از این منطقه، بالاترین تکنولوژی ممکن به آن آورده شده است.

حساسیت بالای FAST این امکان را به دانشمندان می دهد که انتشار هیدروژن در نقاط مختلف کهکشان را بررسی کنند. همچنین به آن ها اجازه می دهد تا امواج گرانشی را دنبال کنند اما هیجان انگیزترین ماموریت این تلسکوپ، شناسایی موجودات فرازمینی است. واقعیت این است که در سال های اخیر سه سیاره بیرون از منظومه شمسی کشف شده که در آن ها احتمال حیات وجود دارد و این مسئله امکان حضور زندگی خارج از زمین را تقویت کرده است.

حالا وظیفه گوش شنوای FAST این است که بگردد و زندگی را در میلیون ها کیلومتر دورتر از ما جست و جو کند اما این تلسکوپ های رادیویی چطور کار می کنند؟ وقتی خبری از عدسی و نور نباشد، چطور می توان فضا را رصد کرد؟ پاسخ این است که نحوه عملکرد یک تلسکوپ رادیویی خیلی شبیه به یک گیرنده معمولی رادیویی است با این تفاوت که سیگنال دریافت شده بسیار ضعیف تر است و برای پردازش باید ضبط شود.

دیاگرام ساده رادیو تلسکوپ:

این نمای ساده ای از یک رادیو تلسکوپ است که فرق زیادی با گیرنده رادیویی ندارد و تنها در کیفیت قطعات متفاوت است

پیش تقویت کننده:

سیگنال های رادیویی کیهانی عموما بسیار ضعیف هستند. برای اندازه گیری ما باید آن ها را به وسیله فاکتور هایی برای میلیون ها بار تقویت کنیم اما خود قطعات الکترونیکی موجود در رادیو تلسکوپ هم نویزهای الکترونیکی ناخواسته تولید می کنند که در جریان تقویت سیگنال اصلی آن ها هم به میزان زیادی تقویت می شوند.

به صورت خیلی ساده می شود فهمید که نویز تقویت شده در این قسمت در مرحله بعدی هم تقویت خواهد شد و اگر مراقب نباشیم، این نویز می تواند به صورت کامل سیگنال ضعیف ما را که می خواستیم اندازه گیری کنیم از بین ببرد. نقش پیش تقویت کننده تقویت این سیگنال های ورودی از آنتن ها به میزان چندین برابر است به صورتی که کمترین میزان نویز ممکن ایجاد شود.

پیش تقویت کننده معمولا با نام LNA یا تقویت کننده نویز پایین شناخته می شود. در این مرحله ترانزیستورهای خاصی برای این کار استفاده می شوند. در رصد خانه های بزرگ و پیشرفته همچنین از سیستم های خنک کننده قوی برای پایین آوردن بسیار زیاد دما تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق برای به حداقل رساندن حجم نویز موجود در قطعات استفاده می شود.

وقتی در آشکارساز انرژی سیگنال به یک انرژی DC تبدیل شود، ما نیاز داریم به تبدیل آن به چیزی که راحت تر ذخیره شود. اگر چه تا این جا ما تلاش کردیم که نویز اضافی روی سیگنالمان ننشیند ولی با این همه قطعا مقداری نویز همراه سیگنال مورد نظر خواهد بود که از استاندارد ما بیشتر است. به عبارت دیگر خروجی آشکار ساز شامل مقدار زیادی نویز اضافه شده به یک سیگنال بسیار کوچک از امواج کیهانی است.

سیستم ذخیره می تواند از صفر تا پنچ ولت را اندازه گیری کند، پس ما باید نویز را قبل از تقویت سیگنال DC حذف کنیم. در نهایت با استفاده از مدارهای مجتمع و قطعات الکترونیکی سیگنال خالص DC که حداقل نویز را دارا باشد، مورد پردازش قرار می گیرد و مشخص می شود که این امواج متعلق به چه چیزی است و آیا صدای آدم فضایی ها هم در آن وجود دارد یا نه؟

وظیفه میکسر پایین آوردن فرکانس سیگنال هایی است که از پیش تقویت کننده می آید. این کار به دو منظور انجام می شود؛ اول این که ساخت تقویت کننده، فیلتر و دیگر قطعات خوب برای فرکانس های بالا کار دشواری است هرچند تکنولوژی جدید کمی دست سازندگان را باز کرده است. دوم این که اگر ما تقویت را روی تمام فرکانس هایی که دریافت می کنیم، انجام دهیم آن وقت موقعیت خوبی است برای برخی سیگنال هایی تقویت شده که دوباره به آنتن بر گردند و فیدبک تولید کنند.

این همان مشکلی است که وقتی شما میکروفن را نزدیک بلند گو می گیرید، به آن بر می خورید و صدای سوت وحشتناکی را می شنوید. میکسر، سیگنال های آمده از پیش تقویت کننده و اسیلاتور داخلی را مخلوط می کند و دو خروجی تولید می کند؛ یکی که فرکانسش با فرکانس اسیلاتور جمع شده و دیگری که فرکانسش از فرکانس اسیلاتور کم شده است. در مرحله بعدی ما خروجی با فرکانس پایین تر را با استفاده از یک فیلتر در بخش تقویت کننده IF انتخاب می کنیم.

اسیلاتور (نوسان کننده) داخلی:

اسیلاتور داخلی یک سیگنال با فرکانس مشخص تولید می کند که به میکسر در کنار سیگنال ورودی از آنتن برای تغییر در فرکانس سیگنال ورودی به تقویت کننده IF تزریق می شود. بسیاری از رادیو تلسکوپ ها از سیگنالی استفاده می کنند که توسط یک قطعه کریستال کوارتز در اسیلاتور داخلی تولید شده است.

اسیلاتورهای (نوسان کننده) کرسیتال کوارتز کاملا پایدار هستند و تغییر بسیار کمی در فرکانسشان ایجاد می شود، چون بیشتر رادیو تلسکوپ ها تمام پهنای باند طبیعت را دریافت می کنند، یک مقدار کم از تغییرات فرکانسی در اسیلاتور داخلی ممکن است قابل تحمل باشد

تقویت کنندهIF (فرکانس میانی)

این بخش یک تقویت کننده است که خروجی میکسر را پردازش می کند. در این بخش تنها یک دسته از فرکانس ها اجازه عبور دارند که توسط بک فیلتر BANDPASS یا میان گذر انتخاب می شوند. معمولا فرکانسIF،4،45،70،21 و10،7 مگاهرتز است اگر چه هیچ محدودیتی برای آن وجود ندارد.

یک تفاوت مهم میان تقویت کننده های IF رادیو تلسکوپ با دیگر گیرنده های مخابراتی این است که گیرنده های مخابراتی معمولا از یک بخش کنترل خودکار گین یا AGC استفاده می کنند که این بخش در رادیو تلسکوپ ها باید از کار بیفتد، چرا که در این صورت سیگنال هایی که قرار است تشخیص داده شوند، کاملا از بین می روند. در واقع وظیفه AGC این است که همه سیگنال ها را در یک حد تقویت کند که در زمان شنیدن صدا از بلند گو صدا بالا و پایین نرود اما این آپشن در رادیو تلسکوپ ها مد نظر نیست.

موجی که توسط آنتن دریافت می شود حول یک ولتاژ ثابت نوسان می کند و اگر ما در گیرنده مان فقط بخش ثابت یعنی جریان مستقیم یا همان  DCرا اندازه گیری کنیم، چون موج به صورت سینوسی است، قسمت های مثبت و منفی همدیگر را خنثی می کنند و ما هیچ چیزی برای آشکار کردن نخواهیم داشت.

پس به همین خاطر ما با تنها یک سمت موج کار داریم و برای این باید از وسیله ای استفاده کنیم که تنها به یک بخش اجازه ورود بدهد و در مدارهای ساده این وظیفه بر عهده یک دیود یکسو ساز است؛ قطعه ای که تنها در یک مسیر به جریان اجازه عبور می دهد، البته چندین مدل دیود وجود دارد ولی آنچه در رادیوتلسکوپ ها قابل استفاده است، دیود ژرمانیوم و دیود شاتکی است.