نجوم رادیویی چگونه نگاه‌ به کیهان را متحول ساخت؟

گروت ربر، علاقه‌مند به نجوم رادیویی آماتور در سال ۱۹۳۷ در حیاط خانه‌اش بشقابی گود از ورق فلزی به قطر ده متر را روی یک داربست نصب کرد. کسی فکرش را هم نمی‌کرد که این دستگاه آغازی بر روش جدید رصد کیهان باشد.

ربر درواقع اولین تلسکوپ رادیویی جهان را ساخته بود. برخلاف تلسکوپ‌های قدیمی‌تر که از لنز و آینه برای متمرکز کردن نور استفاده می‌کنند، این طرح از فلز و مدار برای جمع‌آوری امواج رادیویی میان ستاره‌ای و نوسانات کم فرکانس پرتوهای الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. ربر با دستگاه خانگی‌اش اولین نقشه‌ی رادیویی از آسمان را تهیه کرد که سرآغازی بر نجوم رادیویی بود. به گفته‌ی کارن اونیل، رئیس رصدخانه‌ی گرین بانک در ویرجینیای غربی:

نجوم رادیویی هم مانند نجوم اپتیک اساس درک ما از جهان را تشکیل می‌دهد. اگر بخواهیم جهان را درک کنیم باید مطمئن شویم انواع متنوعی از چشم‌ها را به آن دوخته‌ایم.

وقتی ستاره‌شناس‌ها درباره‌ی امواج رادیویی فضا صحبت می‌کنند، لزوما به سیگنال‌های فرازمینی‌ها اشاره ندارند؛ بلکه منظور آن‌ها نورهای کم انرژی است که هنگام تغییر چرخش مولکول‌ها و چرخش الکترون‌ها در یک میدان مغناطیسی ظاهر می‌شوند. گالیله اولین کسی بود که برای اولین‌بار در قرن‌های گذشته به بررسی امواج رادیویی میان‌ستاره‌ای پرداخت. او برای این کار تلسکوپ کوچک تغییریافته‌ای را به سمت آسمان قرار داده بود.

امروزه نجوم رادیویی در سراسر جهان گسترش یافته است. بیش از ۱۰۰ تلسکوپ رادیویی از آنتن‌های عنکبوتی تا نسخه‌های عظیم بشقاب ربر که صدها متر را پوشش می‌دهند، در جهان وجود دارند. این چشم‌های به آسمان دوخته‌شده‌، تاکنون تغییرات زیادی را در جامعه‌ی نجوم به وجود آورده‌ و به شکل عجیبی تنها سه جایزه‌ی نوبل را دریافت کرده‌اند؛ البته سه جایزه هم دستاورد بدی برای زمینه‌ای که تصادفا به وجود آمد نیست.

در اوایل دهه‌ی ۱۹۳۰، مهندسی به نام کارل جانسکی در آزمایشگاه تلفن بل به ردیابی منابع امواج رادیویی پرداخت که با ارتباطات بی‌سیم تداخل پیدا کرده بودند. او متوجه شد منبع این امواج جایی در صورت فلکی قوس در جهت مرکز راه شیری است.

کارل جانسکی در اینجا با آنتن رادیویی چرخان خود نشان می‌دهد امواج رادیویی از مرکز راه شیری سرچشمه گرفته‌اند. این کشف، یافته‌ای شاخص در آغاز نجوم رادیویی بود.

به گفته‌ی جی لاکمن ستاره‌شناس گرین‌بانک:

اکتشاف اولیه‌ی جانسکی این بود که امواج رادیویی از نظریه‌ی درآمیخته‌ی فضای میان‌ستاره‌ای سرچشمه می‌گیرد. هیچ راه شناخته‌ای برای شناسایی این امواج وجود نداشت.

Bell Labs، جانسکی را به مأموریت‌هایی با اهداف زمینی فرستاد؛ اما ربر که هوادار نجوم رادیویی بود، درباره‌ی کشف جانسکی خوانده بود و مشتاق بود بیشتر در این مورد بداند. هیچ کس در گذشته تلسکوپ رادیویی نساخته بود و در نتیجه، ربر به این نتیجه رسید که طرح خود را برای متمرکز کردن نور مرئی روی این زمینه پیاده‌سازی کند. او آنتن جانسکی را بهبود داد و بشقاب فلزی سهمی شکلی را برای متمرکز کردن امواج رادیویی در یک نقطه طراحی کرد. وی همچنین از یک تقویت‌کننده هم برای تقویت سیگنال ضعیف استفاده کرد. کل این سازه روی یک پایه‌ی چوبی چرخان قرار گرفت که به ربر اجازه می‌داد با بالا و پائین بردن تلسکوپ آسمان را واکاوی و اسکن کند. جالب است بدانید که همین طرح اولیه امروزه برای ساخت تلسکوپ‌های رادیویی سراسر جهان به کار می‌رود.

به دلیل جنگ جهانی دوم و رکود بزرگ، ربر تقریبا به‌مدت یک دهه به تنهایی کار می‌کرد. حوزه‌ی نجوم رادیویی پس از جنگ توسعه یافت؛ زمانی که گروهی از دانشمندان سیستم‌های رادار را طراحی کردند و این همان نقطه عطفی بود که شگفتی‌ها را یکی پس از دیگری آشکار می‌ساخت.

گروت ربر، اولین تلسکوپ رادیویی اختصاصی را برپا کرد

گفتنی است تلسکوپ‌های رادیویی مناسب رصد در ابرهای متراکم و سرد هستند. در این شرایط مولکول‌ها در حالتی ساکن قرار دارند و در صورت آزادسازی انرژی چرخشی پرتوهایی را منتشر می‌کنند. امروزه فهرست مولکول‌های میان‌ستاره‌ای شناخته‌شده شامل انواع مواد زیستی پیچیده از جمله برخی مواد زیستی لازم برای حیات است.

تلسکوپ‌های رادیویی امکان رصد اجرامی را فراهم کردند که تا قبل از آن رصد آن‌ها غیرممکن بود. کوازارها، هسته‌های مشتعل کهکشان‌های دوردست توسط سیاهچاله‌های عظیم تقویت می‌شوند. این اجرام برای اولین‌بار در نقشه‌های دقیق رادیویی اواخر دهه‌ی ۱۹۵۰ کشف و به دنبال آن، پالسارها، هسته‌های چرخان فرامتراکم ستاره‌های مرده هم در سال ۱۹۶۷ کشف شدند. در این زمان ژاکلین بل برنل صدای بوق ممتدی را در آرایه‌ی آنتن رادیویی از اعماق فضا رصد کرد که هر ۱.۳ ثانیه منتشر می‌شد. به گفته‌ی لاکمن:

پالسارها تنها به دلیل اکتشاف جذاب نیستند؛ بلکه می‌توان از آن‌ها برای تست نظریه‌های نسبیت عام و کشف امواج گرانشی هم استفاده کرد.

به همین دلیل اگر چیزی مثل یک نوسان گذرا در فضا زمان با یک پالسار برخورد کند، ضربه‌های موج رادیویی دقیقی را به زمین ارسال می‌کند. تغییرات زمان‌بندی یک پالسار در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ به کشف اولین سیاره‌ی فراخورشیدی انجامید.

در سال‌های اخیر انفجارهای کوتاهی از انرژی اردیویی از کهکشان‌های دیگر توجه ستاره‌شناسان را به خود جلب کردند. علت این انفجارهای رادیویی سریع که در سال ۲۰۰۷ کشف شدند، هنوز در هاله‌ای از ابهام است؛ اما از این انفجارها می‌توان به‌عنوان کاوشگرهای سودمند بین کهکشانی استفاده کرد. نور حاصل از این انفجارها برای رمزنگاری اتم‌های برخوردی به زمین مفید هستند و امکان ردیابی انواع ماده در کیهان را فراهم می‌کنند. به گفته‌ی دکتر ورتیمر، ستاره‌شناس دانشگاه برکلی کالیفرنیا:

چنین انفجاری به ما امکان داد وزن جهان را اندازه بگیریم و ماده‌ی گمشده را درک کنیم.

آنتن رادیویی در سال ۱۹۶۴ بزرگ‌ترین اثبات را برای نظریه‌ی بیگ‌بنگ به ارمغان آورد. آنور پنزیاس و روبرت ویلسون مهندسان آزمایشگاه‌های بل متوجه صدای خشی دائمی در آنتن شاخ مانند شدند که برای نجوم رادیویی در نظر گرفته شده بود. عامل اصلی پرتوهایی بودند که در کل فضا نفوذ کرده بودند. این پرتوها از زمانی به جا مانده بودند که جهان بسیار داغ‌تر و متراکم‌تر از وضعیت کنونی بود. پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی به دلیل فرکانس‌های نسبتا بالا و قوی نام‌گذاری شد. پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی پنجره‌ای به روی جهان آغازین باز کرد.

تلسکوپ‌هایی رادیویی قدرت شگفت‌انگیز دیگری هم دارند. با اتصال چند بشقاب رادیویی در سراسر قاره‌های جهان می‌توان رصدخانه‌ای عظیم ساخت. چنین رصدخانه‌ای قادر است جزئیات را با دقتی بالاتر از بشقاب‌های واحد رصد کند. در نهایت چشمی رادیویی به وسعت سیاره‌ی زمین ساخته شد و تلسکوپ ایونت هرایزن نامیده شد. این تلسکوپ اولین تصویر واقعی از سیاهچاله را برای بشر به ارمغان آورد.

تلسکوپ ایونت هرایزن، شبکه‌ای بین‌المللی از رصدخانه‌های رادیویی این تصویر را از سیاهچاله‌ای در مرکز کهکشان M87 ثبت کرده است

فهرست اکتشافات رادیویی ادامه دارند: کهکشان‌های جهان آغازین که کاملا با غبار پوشیده شدند و هیچ نوری از خود منتشر نمی‌کنند در تصاویر رادیویی می‌درخشند. حلقه‌های گاز و غباری که در اطراف ستاره‌های جهان می‌چرخند جزئیاتی را درباره‌ی شکل‌گیری سیاره‌ها آشکار می‌کنند. همچنین می‌توان با امواج رادیویی نوسانی از سطح سیاره‌ها و سیارک‌های منظومه‌ی شمسی به اطلاعاتی درباره‌ی آن‌ها دست یافت. از سوی دیگر مؤسسه‌ی SETI هم برای جست‌وجوی هوش فرازمینی از تلسکوپ‌های رادیویی استفاده می‌کند. به گفته‌ی ورتیمر:

شاید نجوم رادیویی محتمل‌ترین راه برای پاسخ به این پرسش باشد: آیا ما تنها هستیم؟

شبکه‌ی تلسکوپ رادیویی ALMA در صحرای آتاکامای شیلی این تصویر را ثبت کرده است که دیسک شکل‌دهنده‌ی سیاره‌ای را در اطراف ستاره‌ی جوان HL tauri نشان می‌دهد.

استفاده از سیگنال رادیویی برای کشف فرازمینی‌ها به بیش از یک قرن پیش بازمی‌گردد. در سال ۱۸۹۹، نیکولا تسلا سیگنال‌های رادیویی را جمع‌آوری کرد که تصور می‌شد از بومیان سیاره‌‌ای دیگر به‌دست‌آمده باشند. همچنین ایالات متحده در اوت ۱۹۲۴ به مدت ۳۶ ساعت کل ارسال‌کننده‌های رادیویی را به مدت پنج دقیقه در هر ساعت خاموش کرد تا به سیگنال‌های مریخ گوش کند؛ زیرا زمین در نزدیک‌ترین فاصله با زمین قرار داشت. جست‌وجوی فرازمینی‌ها در سال ۱۹۶۰ و زمانی که فرانک دریک تلسکوپ رادیویی گرین بانک را به سمت ستاره‌های Tau Ceti و Epsilon Eridani قرار داد، شکل جدی‌تری به خود به گرفت به گفته‌ی ورتیمر:

شروع کار SETI مانند آغاز یک رنسانس بود. امروزه جوان‌های زیادی به SETI علاقه‌مند شده‌اند.

شاهد آثاری از اولین ساختارهای جهان خواهیم بود که اولین کهکشان‌ها و ستاره‌ها را تشکیل دادند.

آرایه‌ی کیلومتر مربعی بشقاب‌ها و آنتن‌های رادیویی را در آفریقای جنوب و استرالیا به یکدیگر وصل می‌کند و چشم‌انداز بی‌سابقه‌ای از جهان را فراهم می‌کند.

اما اگر تاریخ نجوم رادیویی را راهنما قرار دهیم شاخص‌ترین اکتشافات هنوز در راه هستند. به گفته‌ی ورتیمر:

اگر تلسکوپی بسازید و با آن به جایی نگاه کنید که کسی تاکنون ندیده است، قطعا به اکتشافات جالبی خواهید رسید.