ثورة التلسكوب الراديوي
مع بَدء بناء تلسكوب مصفوفة الكيلومتر المربع على قدم وساق، يتطلع غوفرت شيلينغ إلى أكبر مرصد راديوي صُنع على الإطلاق
يتواصل حالياً بناء مصفوفة الكيلومتر المربع Square Kilometre Array (اختصاراً: المصفوفة SKA)، وهي المرصد الراديوي الأكبر والأكثر حساسية في التاريخ، في منطقتين نائيتين في نصف الكرة الجنوبي: شبه صحراء غريت كارو Great Karoo في جنوب إفريقيا، والمناطق النائية في غرب أستراليا. وبينما تقرأ هذا المقال، يجب أن يكون تركيب أول أربعة أطباق في الموقع بجنوب إفريقيا في قيد التنفيذ. وفي نهاية المطاف سيتكون المرصد SKA بكامله من نحو 200 طبق راديوي وأكثر من 130 ألف هوائي صغير، موزعة في قارتين. ومن المتوقع أن يترك مرصد SKA بصمته في كل مجال من مجالات علم الفلك، بدءاً من فيزياء الشمس إلى علم الكون Cosmology.
في مقر الإدارة الرئيس لمرصد SKA في مرصد جودريل بانك في شيشاير بالمملكة المتحدة، بالقرب من تلسكوب لافيل المحترم الذي يبلغ قطره 76 م، يروي مدير المرصد SKA فيل داياموند Phil Diamond تاريخ المشروع:
قبل أكثر من 30 عاماً، في شهر أكتوبر من العام 1990، قدم عالم الفلك الراديوي بجامعة مانشستر بيتر ويلكنسن Peter Wilkinson فكرة ”مصفوفة هيدروجين“ Hydrogen array في مؤتمر عقد في مدينة ألباكيركي Albuquerque وهي فكرة أداة لرسم خريطة دقيقة لتوزع غاز الهيدروجين البارد والمحايد في الكون باستخدام الموجات الراديوية.
”في ذلك الوقت كان التلسكوب الراديوي التركيبي ويستربورك Westerbork Synthesis Radio Telescope في هولندا والمصفوفة الكبيرة جداً Very Large Array في نيو مكسيكو هما أقوى المراصد الراديوية في العالم، كما يوضح دايموند، وتساءل علماء الفلك عن خطوتهم الكبيرة التالية. أدت هذه الأفكار الأولى في النهاية إلى المرصد الذي نبنيه الآن“.
وحتى في تلك المراحل المبكرة، تبين أن المرصد الجديد سيتكون من جزأين: مقياس تداخل يتكون من هوائيات طبقية لاقطة كبيرة متصلة تبادلياً لعمليات الرصد بأطوال موجات راديوية متوسطة (SKA-Mid)، وشبكة موسعة من هوائيات أصغر ثنائية القطب لرصد موجات راديوية طويلة بترددات أقل بكثير (SKA-Low). تتطلب كلتا المصفوفتين توافر بيئة ”صامتة“ جداً، بعيداً عن أي شكل من أشكال التداخل اللاسلكي البشري.
وقد أمَلَت كل من جنوب إفريقيا وأستراليا استضافةَ المصفوفة المستقبلية. ويقول ميشيل فان هارلم Michiel van Haarlem، رئيس مكتب المصفوفة SKA في هولندا عن ذلك: ”لكن لو اختيرت دولة واحدة منهما فقط، فإن الشريك الآخر سيترك المشروع“.
”ولهذا السبب اتُّخذ القرار ببناء كل من المصفوفة SKA-Mid في جنوب إفريقيا، والمصفوفة SKA-Low في أستراليا“.
أين يوجد ”الكيلومتر المربع“؟
قد تكون المصفوفة SKA واسعة النطاق، لكنها لا ترقى إلى مستوى اسمها من الناحية الفنية… إلى الآن.
يعترف مدير المصفوفة SKA فيل داياموند بأن ”مصفوفة الكيلومتر المربّع“ هي تسمية خاطئة إلى حد ما. تبلغ مساحة هوائيات الأطباق الـ197 الخاصة بالمصفوفة SKA-Mid في جنوب إفريقيا 33,000م2 (0.033 كم2). يُمكن حساب المساحة السطحية للمستقبل الفعّال للهوائيات ثنائية القطب لشبكة هوائيات SKA-Low في أستراليا باستخدام صيغة معقدة تعتمد على تردد الرصد؛ إنها في حدود 0.4 كم2. ومع ذلك فقد ابتُكر اسم ”مصفوفة الكيلومتر المربع“ Square Kilometre Array في أواخر التسعينات من القرن العشرين، مع وضع المرحلة الثانية المستقبلية من المنشأة في الاعتبار، والتي ستحتوي على 10 أضعاف عدد الأطباق والهوائيات. يقول داياموند: ”إذا أمكن تحقيق هذه المرحلة الثانية بالفعل في المستقبل، فسنصل بسهولة إلى مساحة سطحية إجمالية قدرها كيلومتر مربع واحد“.
وضع الأساسات
وفي كلا الموقعين، نرى علم الفلك الراديوي يزدهر بالفعل. يعمل مرصد ميركات MeerKAT، الذي يتكون من 64 طبقاً لاسلكياً قُطر كل منها 13.5 م، في غريت كارو، على بعد نحو 100 كم في شمال بلدة كارنارفون الصغيرة. في نهاية المطاف سيصير ميركات جزءاً من مجموعة تلسكوبات SKA-Mid الراديوية. وفي الوقت ذاته يُعَد مرصد أستراليا إس. كي. إيه باثفايندر Australia SKA Pathfinder (اختصاراً: المرصد ASKAP) ومرصد مصفوفة موركيسن للمجال الواسع Murchison Widefield Array (اختصاراً: المرصد MWA) من ”طلائع المصفوفة SKA“ الأخرى، ويقعان في منطقة غير مأهولة في غرب أستراليا. يقول داياموند: ”كل هذه المراصد الطليعية تؤدي عملاً رائعاً، وسيصير عملنا أكثر حساسية بكثير“.
هذه الحساسية الشديدة هي نتيجة للعدد الهائل من أجهزة الاستقبال الفردية: 197 طبقاً راديوياً في جنوب إفريقيا وما لا يقل عن 131,072 هوائياً على شكل شجرة عيد الميلاد بارتفاع شخص توجد في غرب أستراليا. ستُوزَّع 197 طبقاً من أطباق المصفوفة SKA-Mid (64 طبقاً من أطباق ميركات، إضافةً إلى 133 طبقاً أكبر قليلاً بقطر 15 م صنعت في الصين) على مساحة بقطر 150 كم، مع التركيز الأكبر في قلب مقياس التداخل. يحدد خط الأساس الأقصى هذا الدقة الزاويّة للمرصد.
وسيكون لشبكة هوائيات المصفوفة SKA-Low في غرب أستراليا تصميم مماثل، مع نحو 70% من 512 ”محطة“ (كل منها تتكون من 256 ”شجرة ميلاد“) في الجزء الأوسط، وخط أساس (أولي) أقصى بطول 75 كم. ووفقاً لأندريه فان إس André van Es، القائد الرئيس للمشروع في الجزء الأسترالي من المصفوفة SKA، تقع نواة الشبكة SKA-Low على بُعد 30 كم تقريباً إلى الغرب من المصفوفة ASKAP الحالية.
يقول فان إس: ”سيكتمل العمل على بناء المحطات الأولى في العام 2024. وفور إنجاز ما نسبته 10% من شبكة SKA-Low، فسنكون بالفعل المرصد الأكثر حساسية في العالم في هذا الجزء من الطيف الراديوي“. وبالمثل، في حالة المجموعة SKA-Mid، ومع إضافة مزيد من الأطباق الراديوية في السنوات المقبلة، سيصير مقياس التداخل أكثرَ حساسية ودقة من السابق.
بعض المراصد الراديوية الحالية والمستقبلية في نصف الكرة الشمالي.
فاست FAST
(التلسكوب الدائري ذو فتحة الخمسمائة متر
Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)
طبق راديوي ضخم على شكل وعاء. بُني في واد طبيعي في مقاطعة بينغتانغ، غويجو، في جنوب غرب الصين. يُعد التلسكوب FAST حالياً هو التلسكوب الراديوي الأكثر حساسية في العالم، بمساحة سطحية تبلغ 0.2 كم2. (انهار التلسكوب آريسيبو Arecibo الراديوي، بقطره البالغ 300 م، الذي يوجد في بورتوريكو، في أواخر العام 2020؛ ويبلغ قطر كل من التلسكوب غرين بانك Green Bank Telescope في فرجينيا الغربية والتلسكوب إيفلسبيرغ Effelsberg Telescope الألماني 100 م تقريباً).
لوفار LOFAR
(مصفوفة التردد المنخفض)
مجموعة من نحو 20,000 هوائي ثنائي القطب، موزعة بين 7 دول أوروبية، يقع مركزها في شمال شرق هولندا. يتمتع المرصد LOFAR بدقة زاويّة أكبر من شبكة SKA-Low، وذلك بفضل خطوط الأساس الطويلة التي تزيد على 1,000 كم، والتي ستعمل على ترددات راديوية منخفضة مماثلة. ومع ذلك فإن الشبكة SKA-Low ستكون أكثر حساسية. يقول ميشيل فان هارلم، المدير السابق لمرصد LOFAR: ”كان المرصد LOFAR رائداً حقيقياً“.
ngVLA
(الجيل التالي من المصفوفات الكبيرة جداً)
ستكون هذه المنشأة المستقبلية أكثر حساسية بعشر مرات من مرصد المصفوفة الكبيرة جداً VLA الحالي في نيومكسيكو. وتستهدف الخطة تركيب 244 طبقاً راديوياً بقطر 18 م، إضافة إلى 19 طبقاً أصغر، بقطر 6 م، موزعة على أجزاء كبيرة من الولايات المتحدة الأمريكية. ستملأ المصفوفة ngVLA الفجوة بين عمليات الرصد التي تنفذها المصفوفة SKA (عند الأطوال الموجية الطويلة نسبياً) والمرصد ALMA في تشيلي، الذي يدرس الإشعاع الكوني الدقيق.
DSA-2000
(مصفوفة الأعماق الشاملة Deep Synoptic Array)
مجموعة مستقبلية ستتكون على الأقل من 2,000 هوائي صغير وبسيط، بقطر 5 م، في وادي هوت كريك Creek Valley النائي في ولاية نيفادا. يُبنَى حالياً نموذج أولي من 110 هوائيات في ولاية كاليفورنيا. ستتمكن المصفوفة DSA-2000 من رسم خريطة لكامل السماء الراديوية المرئية بسرعة. وبتنفيذ مثل عمليات المسح هذه بانتظام، يأمل علماء الفلك اكتشافَ كثير من الظواهر العابرة قصيرة العمر، مثل الدفقات الراديوية السريعة.
تحديات علمية
ستكون مصفوفة المرصد SKA قادرة، بفضل حساسيتها العالية، على رسم خريطة لتوزع الهيدروجين المحايد في المجرّات التي تبعد مئات ملايين أو حتى بلايين السنين الضوئية. هذا سيلقي الضوء على بنيتها وديناميكيتها، وأيضاً على تطور المجرّات بنحو عام. وعلى مسافة أقرب إلى الأرض، يمكن دراسة عملية ولادة النجوم والكواكب بالتفصيل، وستنشئ المصفوفة SKA أول خريطة ثلاثية الأبعاد للمجالات المغناطيسية في الكون، داخل مجرّتنا درب التبانة وخارجها.
سيدرس المرصد الجديد أيضاً الدفقات الراديوية السريعة والغامضة. يجب أن توفر الأرصاد المفصلة لهذه الأحداث الانفجارية القوية معلومات عن توزع الجسيمات المشحونة في الفضاء بين المجرّات. وستكشف القياسات الدقيقة للبُلسارات (النجوم النبّاضة) Pulsars (نجوم نيوترونية سريعة الدوران) عن موجات جاذبية ذات تردد منخفض جداً: تموجات دقيقة في الزمكان Sapce-time تُنتجها ثقوب سوداء ثنائية فائقة الكتلة في قلب المجرّات البعيدة. أحد التحديات البارزة التي تواجه المصفوفة SKA هو اكتشاف ما يسمى بإشارة حقبة إعادة التأين Epoch of Reionisation (اختصاراً: الحقبة EoR). بعد الانفجار الكبير (العظيم) Big bang بعدة مئات من ملايين السنين، امتلأ الكون الوليد بغاز الهيدروجين الضعيف والمحايد. وفي هذه ”العصور المعتمة“ Dark Ages، أصدرت ذرات الهيدروجين إشعاعاً بطول موجي راديوي يبلغ 21 سم. ولكن بسبب توسُّع الكون، يصل هذا الإشعاع إلى الأرض بطول موجي أطول بكثير وهي ظاهرة تُعرَف باسم الانزياح نحو الأحمر Redshift. يجب أن تكون الشبكة SKA-Low قادرة على رصد تلك الإشارة الراديوية القديمة والضعيفة.
يرغب قادة المشروع في آخر الأمر في رؤية 2,000 طبق راديوي قائمة في معظم أنحاء إفريقيا
انتهت تلك العصور المعتمة الكونية عندما تشكلت أوائل النجوم. خلال حقبة إعادة التأيُّن، تأيَّن الهيدروجين المحايدُ مرة أخرى بفعل الإشعاع النشط للنجوم الأولى (أو ربما الثقوب السوداء الأولى). ومن خلال الرصد بأطوال موجية مختلفة، سيقيس علماء الفلك الموجات الراديوية من الهيدروجين المحايد عند درجات مختلفة من الانزياح نحو الأحمر، تتوافق مع مسافات وعصور مختلفة في تاريخ الكون. وهكذا يمكن متابعة إشارة EoR عبر الزمن الكوني، ليكشف هذا متى وكيف تسخَّن الغاز البارد وتأين مرة أخرى.
وأخيراً، ستُفحص أيضاً كميات البيانات التي تنتجها مصفوفة SKA بحثاً عن إشارات راديوية اصطناعية محتملة. يُعد مشروع SETI (البحث عن الذكاء خارج كوكب الأرض) جزءاً من الحالة العلمية الرسمية المؤلفة من 2,000 صفحة، والتي نُشرت في العام 2015. يقول فان هارلم: ”بالطبع نتوقع عديداً من المفاجآت العلمية. سيكون الأمر أقل إثارة بكثير إذا كنتَ تعرف كل شيء مقدماً“.
طوفان البيانات
ووفقاً للباحثة روزي بولتون Rosie Bolton، التي تنسق البنية التحتية لتدفق البيانات لمرصد SKA، فإن المنشأة المستقبلية ستنتج كميات هائلة من البيانات العلمية. وتقول: ”سنرصد جزءاً كبيراً من السماء، بترددات مختلفة تبلغ 65,000 تردداً. وكل ’صورة‘ راديوية ستكون بحجم عدة مئات من التيرابايت“.
سيكون هذا بعد التخفيض الكبير في البيانات: ستنتج المصفوفة SKA-Mid والشبكة SKA-Low كمية تبلغ 2.5 تيرابايت و250 تيرابايت من البيانات الأولية في الثانية، على التوالي. وبسبب الاختناقات التقنية في نقل البيانات وتخزينها، يجب تخفيض دفق هذه البيانات إلى نحو 12 غيغابايت في الثانية.
توضح بولتون: ”لا نستطيع تخزين كل شيء. ولذلك سيكون هناك تحليل أولي سريع للبيانات مباشرة بعد إجراء الأرصاد. سنتخلص من كثير من البيانات، ومع ذلك سيبقى لدينا ما يكفي لتسهيل تنفيذ علوم ثورية. سينتج كلا موقعي المرصد SKA ما يقرب من بيتابايت واحد (بليون ميغابايت) يومياً، مدة 50 عاماً متواصلة“.
وعندما تنتهي أعمال بناء أكبر مرصد فلكي في التاريخ، والذي من المرجح أن يحدث في غضون سنوات قليلة، يأمل علماء الفلك ألا يكون هو نهاية القصة. فمنذ الأيام الأولى لهذا المشروع الطموح، كانت هناك خطط لمرحلة ثانية (تسمى أحياناً SKA2)، وستكون أقوى بعشر مرات.
يقول مدير المصفوفة SKA فيل داياموند: ”نود أن نحقق دقة أعلى وحساسية أعلى في كلتا القارتين“. سيتطلب ذلك نحو 2,000 طبق راديوي في إفريقيا، وأكثر من مليون هوائي ثنائي القطب في أستراليا، موزعة على مساحة أكبر بكثير في كلتا الحالتين. ومع أن داياموند لا يريد التكهن بشأن جدوى هذه المرحلة الثانية (تبلغ تكلفة المرصد الحالي بالفعل أكثر من بليوني يورو)، إلّا أنه يقول بحماسة: ”بالتأكيد لم نتخلى عن خططنا“.
غوفرت شيلينغ Govert Schilling:كاتب في علوم الفلك، ومؤلف كتاب تموجات في الزمكان Ripples in Spacetime
* هذه نسخة مختصرة من مقال نشر أول مرة في المجلة الفلمنكية Eos.
