رصد عالم با بزرگ‌ترین چشم‌ رادیویی

اس‌کی‌ای 50 برابر حساس‌تر و 10هزار برابر سریع‌تر از بهترین تلسکو‌پ‌های رادیویی امروزی خواهدبود و می‌تواند تصاویری با کیفیت وضوح 50 برابر بیشتر از تلسکوپ فضایی هابل تولید کند.

حساسیت بیشتر آرایه‌کیلومتر مربع، دامنه رصد عالم مرئی را گسترش می‌دهد و به پرسش‌های عمیقی در فیزیک بنیادی، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی پاسخ می‌دهد و درک ما را از ماده تاریک بهبود می‌بخشد.

«مدیر تلسکوپ» عنوان مجموعه‌ای از نرم‌افزارهای کاربردی است که وظیفه همبسته‌کردن و تحلیل داده‌های جمع‌‌آوری‌شده از آنتن‌های آرایه‌کیلومترمربع را دارد و قادر است این داده‌ها را به تصاویر قابل رویت تبدیل کند اما این تلسکوپ که ساخت آن در سال 1409شمسی/2030میلادی به پایان خواهیدرسید دقیقا چه خواهدکرد و ممکن است در آینده به چه سوالات علمی پاسخ دهد؟ در این‌خصوص ازطریق اسکایپ با دکتر ریکاردو اسمارِلیا (Dr. Riccardo Smareglia) عضو هیات «مدیره تلسکوپ اس‌ کی‌ ای» (SKA TM) گفت‌وگوی اختصاصی کرده‌ایم.

حدود دو ماه قبل، مجوز ساخت تلسکوپ رادیویی اس‌‌کی‌ای صادر شد. چرا اکنون این تلسکوپ به‌عنوان بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیویی جهان شناخته خواهدشد؟

برای این‌که یک تلسکوپ رادیویی را به‌عنوان بزرگ‌ترین در جهان بشناسیم لازم است هم ابعاد فیزیکی صفحه‌های سهمی (دیش‌ها) و آنتن‌های مورد استفاده و هم حداکثر فاصله میان دو آنتن را در نظر بگیریم. این دو جنبه برای ما اهمیت دارد؛ زیرا مقدار امواج رادیویی را که می‌توانیم جمع‌آوری کنیم به مجموع ابعاد فیزیکی تلسکوپ بستگی دارد و حداکثر فاصله میان دو آنتن به ما وضوح تصویر بهتری را ارائه می‌کند. هرچه خط پایه فاصله دو آنتن از هم بیشتر باشد وضوح تصویر بیشتر می‌شود و در نتیجه، دیدن دو نقطه مجزا در فاصله نجومی با سهولت و امکان بیشتری انجام می‌شود. از این‌رو، تعداد بالای آنتن‌ها و دیش‌های آرایه‌کیلومتر مربع اجازه می‌دهد این تلسکوپ رادیویی به یکی از بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های رادیویی جهان تبدیل شود. زیرا، خط پایه این سازه فراقاره‌ای است و به‌خصوص تعداد بسیار زیادی صفحه‌های سهمی بسامد پایین و آنتن‌های بسامد بالا دارد که در دو مزرعه اصلی نصب خواهندشد. برای درک بهتر گستردگی میدان دید اس‌کی‌ای، تلسکوپ رادیویی 500 متری چین را مثال می‌زنم که یک صفحه کروی واحد به قطر 500 متر دارد و بنابراین، وضوح تصویری که ارائه می‌دهد در محدوده ابعاد 500 متر است. این درحالی است که تعداد زیادی صفحه سهمی شبیه هم که کنار یکدیگر مجموعه‌ای واحد را می‌سازند به ما اجازه می‌دهند جزئیات خاصی از کیهان را ببینیم که دیدن آنها با تلسکوپ‌های دیگر امکان‌پذیر نیست.

ماجرای ساخت «آرایه‌ کیلومتر مربع» از چه‌وقت و با چه اهدافی آغاز شد؟

مانند تمام دستگاه‌های بزرگ داستان این پروژه هم بسیار مفصل است. در دهه 90 میلادی یعنی کمی پیش‌از سال 1379/2000 این ماجرا با کمک اخترشناسانی آغاز شد که تشخیص دادند به ابزاری پرقدرت و مناسب در حوزه اخترشناسی رادیویی نیاز است. بدیهی است که در این‌مورد، فقط ساختار فیزیکی آنتن‌ها و تلسکوپ‌های رادیویی مد نظر نیست بلکه امکان پردازش تمام اطلاعات و داده‌های جمع‌آوری‌شده با این تلسکوپ‌ها هم باید در نظر گرفته شود. درواقع، درباره حجمی از داده‌ها صحبت می‌کنیم که بسیار بیشتر از ترافیک کل اینترنت حال حاضر در دنیاست. ازاین‌رو، از ابتدای سال 1379/2000 کارهای اولیه شروع شد و حدود سال‌های 1384/2005 تا 1386/2007 اولین سازمان غیرانتفاعی برای انجام مطالعات علمی لازم و سپس مطالعات مربوط به فناوری‌های مورد نیاز تاسیس شد. مدتی بعد از آن که مرحله پیش‌ساخت که بین سال‌های 1382/2003 تا 1397/2018 انجام شد، پروژه آماده ساختن شد؛ولی با شروع عالم‌گیری بیماری کووید-19 خیلی از کارها به‌کندی پیش رفت. با وجود این، تاکنون مطالعات مهندسی بسیاری، هم از جنبه نظری و هم از جنبه عملی برای ساخت این تلسکوپ رادیویی انجام شده‌است. در حال حاضر، نمونه‌های اولیه و آزمایش‌شده آنتن‌ها، نمونه‌های اولیه و آزمایش‌شده‌الگوریتم‌ها و همچنین پیشنهادهای اولیه و آزمایش‌شده برای تعامل میان همه کشورهایی که سازمان مشارکت بین‌دولت‌ها (IGO) را تشکیل داده‌اند در دسترس است. باید تاکید کنم که درباره فاز اول تلسکوپ رادیویی که اس‌کی‌ای1 نام دارد صحبت می‌کنیم که 750میلیون یورو هزینه دارد و برای رسیدن به فاز دوم که خود آرایه‌کیلومتر مربع خواهد بود به دومیلیارد یورو هزینه نیاز است. طبیعی است به‌تنهایی نمی‌توان چنین هزینه‌ای را تامین کرد و به همکاری بین‌المللی بزرگی احتیاج است. به‌ویژه این همکاری از دیدگاه علمی و مشارکت جمعی در توسعه فناوری‌ها و رقابت‌های علمی میان کشورهای مختلف حائز اهمیت است. همچنین باید بگویم یکی دیگر از جنبه‌های مهم این همکاری، ابعاد تعاملات فرهنگی بین کشورها در این پروژه است. برای نمونه، باوجود تفاوت‌های فرهنگی که میان اروپا و هند و چین وجود دارد از نظر علمی بسیار شبیه رفتار می‌کنیم و این‌گونه ازطریق این فعالیت علمی مشترک قادریم با فرهنگ آن کشورها هم تعامل کنیم. البته مسائل سیاسی همچنان به قوت خودش باقی می‌ماند و ما هم سیاست را برای سیاستمداران باقی می‌گذاریم و به آن علاقه‌ای نداریم.

گفته می‌شود این تلسکوپ در دو محوطه بنا می‌شود. تفاوت‌ها و شباهت‌های میان این دو نقطه چیست؟

این تلسکوپ اساسا از دو نوع گیرنده تشکیل شده: آنتن‌های بسامد کوتاه و دیش‌های بسامدهای بالاتر. دیش‌های بسامدهای بالاتر آنتن‌های‌ کوچکی هستند که در گروه‌های کوچکی کنار هم قرار می‌گیرند و در فاز یک، درمجموع 80 آنتن با قطر صفحه سهمی‌شکل حدود 12 متر در محوطه‌ای به قطر 90 متر گسترده می‌شوند. قرار بود این آنتن‌ها در دو محوطه، یکی در استرالیا و دیگری در آفریقای جنوبی نصب و باهم وارد عمل شوند. اما اکنون به دلیل هزینه‌های بالا این ادغام میسر نیست. ازاین‌رو، فعلا قرار است دیش‌های سهمی فقط در هسته‌هایی به‌ قطر کلی پنج کیلومتر در آفریقای جنوبی نصب شوند و در استرالیا آنتن‌های بسامد کوتاه در هسته‌های نزدیک به هم قرار بگیرند. نکته مهم این است که تمام این تلسکوپ‌های رادیویی باید در نقاطی نصب شوند که هیچ آلودگی الکترومغناطیسی وجود نداشته‌باشد؛ زیرا این نوع آلودگی‌ها به‌شدت روی نتایج اثر منفی می‌گذارند. مشکل بزرگی که اکنون درحال ظهور است ازدیاد صورت‌های فلکی ماهواره‌‌ای است که برای‌مثال، ایلان ماسک، بنیانگذار شرکت اسپیس‌ایکس قصد دارد آنها را برای دسترسی تمام نقاط جهان به اینترنت، در اطراف سیاره زمین قرار دهد. این صورت‌های فلکی ماهواره‌ای ممکن است بتوانند روی دستگاه‌های نجومی اثر وخیمی بگذارند. اما فعلا این دو محوطه یعنی آفریقای جنوبی برای آنتن‌های دیش و استرالیا برای آنتن‌های بسامد کوتاه که به‌عنوان سایت‌های اصلی آرایه‌کیلومترمربع انتخاب شده‌اند، آلودگی الکترومغناطیسی کمی دارند. نکته دیگر درمورد این دو محوطه این است که هر دو در نیمکره‌جنوبی هستند. نیمکره‌جنوبی برای رصد بسیار جالب توجه است چون پوشش عالی ابرهای ماژلانی و کهکشان راه شیری از این نقطه زمین امکان‌پذیر است و همچنین همان‌طورکه گفتم آلودگی‌های الکترومغناطیسی هنوز در بخش جنوبی زمین کمتر است. درحالی‌که، مقدار این نوع آلودگی در نیمکره شمالی بسیار بالاست.

حدود یک‌سوم رصدخانه اخترشناسی رادیویی آفریقای جنوبی ساخته شده‌است. این بخش عملیات داده‌‌گیری را آغاز کرده‌است؟

بله، آرایه‌ میرکت (MeerKAT) که نمونه اولیه آرایه‌کیلومترمربع در آفریقای جنوبی است جمع‌آوری داده‌ها را شروع کرده‌است. ایتالیا هم در ساخت بخش‌های داخلی آنتن‌های این نمونه اولیه مشارکت داشته‌است. علاوه‌بر داده‌گیری میرکت، کشورهایی که در برنامه همکاری این نمونه اولیه حضور دارند که کشورهای آفریقای جنوبی، استرالیا، هند و فکر می‌کنم آلمان را شامل می‌شوند پردازش داده‌های آن را آغاز کرده‌اند. ایتالیا هم تصمیم گرفته‌است وارد این همکاری شود زیرا هم تمایل زیادی به این حوزه علمی در کشور ما وجود دارد و هم این‌که ساختن تلسکوپ رادیویی در این ابعاد بخش آسان قضیه است. بخش دشوار آن، ایجاد گروهی از کارشناسان علمی است که بتوانند به‌ بهترین شکل از این زیرساخت استفاده کنند. ساختن یک خودروی فراری آسان‌تر از داشتن راننده‌ای است که بتواند آن را به‌خوبی براند!

رمزگشایی از دوردست‌های عالم با تصاویری واضح‌تر

20 فروردین 98 پروژه تلسکوپ «افق رویداد» که متشکل از شبکه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی حاضر در هشت گوشه از کره‌زمین است موفق شد اولین عکس از سیاهچاله را تهیه کند.

اکنون سوال مهم این است که با آغاز به‌کار رادیو تلسکوپ اس‌کی‌ای باید در انتظار چه کشف بزرگی از اسرار عالم باشیم؟ عضو هیات «مدیر تلسکوپ اس‌کی‌ای» در پاسخ این سوال جام‌جم گفت: «همان‌طور که گفتید تلسکوپ افق رویداد (ای‌اچ‌‌تی) هم خط پایه بسیار وسیعی دارد و شبکه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی است که از جنوبگان آغاز می‌شود و باعبور از آمریکا، آفریقا و اروپا به گرینلند می‌رسد. مسأله‌ای که اس‌کی‌ای نوید آن را به ما می‌دهد نه‌فقط وضوح تصویر بیشتر براساس خط پایه که افزایش کیفیت تصاویر است؛ زیرا آرایه‌کیلومترمربع از تلسکوپ‌های رادیویی بیشتری بهره‌مند است و از این‌رو، توانایی بیشتری در جمع‌آوری اطلاعات دارد و می‌تواند اصواتی را دریافت کند که مربوط به نقاط دورتری از کیهان هستند و در تصاویر کنونی دیده نمی‌شوند. درست مثل وقتی که عینک خودمان را از چشم برمی‌داریم اجسام را با کیفیت پایین‌تری می‌بینیم اما به‌محض‌این‌که عینک را دوباره می‌زنیم به‌دلیل این‌که فوکوس چشم ارتقا می‌یابد بدون این‌که مجبور باشیم زیر آفتاب برویم یا چراغ اضافی روشن کنیم کیفیت تصاویر بهتر می‌شود.»

به این ترتیب به نظر می‌رسد، این تلسکوپ رادیویی هم از تکنیک تداخل خط پایه بسیار طولانی (وی‌ال‌بی‌ای) استفاده خواهدکرد. از دکتر ریکاردو اسمارلیا درباره درستی این نتیجه‌گیری پرسیدم؛ وی تصریح کرد: قطعا همین‌طور خواهدبود. تمام آرایه‌های تلسکوپ‌های رادیویی اساسا از تکنیک تداخل‌سنجی خط پایه استفاده می‌کنند. در این تکنیک، هریک از آنتن‌های کوچک اطلاعات را جمع‌آوری می‌کند و بعد رایانه‌ای مرکزی تمام این اطلاعات را همبسته می‌کند. این آنتن‌ها علاوه‌بر فیبرها از طریق ساعت‌های اتمی بسیار دقیق و با اثربخشی بالا به همدیگر متصل هستند. هریک از آنتن‌ها پس‌از جمع‌آوری داده‌ها آنها را ذخیره می‌کند، سپس رایانه براساس زمان ذخیره که ساعت اتمی ثبت کرده‌است این اطلاعات را در مقیاس پیکوثانیه (10 به توان منفی 12 ثانیه) همبسته می‌‌کند و بعد، نرم‌افزاری ویژه‌ (مدیر تلسکوپ) این داده‌های همبسته‌شده را به‌ تصاویر قابل‌رویت تبدیل می‌کند. در تلسکوپ‌های نوری، دو تلسکوپ نور را همزمان به یک نقطه هدایت می‌کنند اما در تلسکوپ‌های رادیویی که عدسی نوری ندارند، این کار ممکن نیست. به‌همین‌علت استفاده از تکنیک تداخل خط پایه برای تلسکوپ‌های رادیویی که در سطح کره زمین قرار دارند اساسی است.

همکاری اس‌کی‌ای با سرن در بستر کلان‌داده‌ها

در خبرهای مختلف در خصوص طرح اس‌کی‌ای گفته می‌شود که بین این طرح و سرن (شورای پژوهش‌های هسته‌ای اروپا) همکاری‌هایی وجود خواهد داشت.

از دکتر ریکاردو اسمارلیا در خصوص اهدافی که این همکاری دنبال می‌کند پرسیدم. وی در پاسخ گفت: «در اس‌کی‌ای صحبت از مقادیر بسیار زیاد داده‌هاست و همکاری آرایه‌کیلومترمربع با سرن هم برپایه همین حقیقت استوار است. اس‌کی‌ای داده‌هایی به حجم حدود 700 پتابایت (10 به توان 15 بایت) در سال جمع‌آوری خواهدکرد و این فقط حجم داده‌هایی است که پیشتر با رایانه مرکزی همبسته و تحلیل و ذخیره شده‌اند و اگر بخواهیم کل داده‌هایی را که آنتن‌ها جمع‌آوری می‌کنند به آن اضافه کنیم حجم آنها روزانه به چند ده پتابایت می‌رسد. طبیعی است نگهداری این مقدار از داده‌ها بسیار دشوار است.

سرن درحال‌حاضر تجربه ذخیره این حجم از داده‌ها را دارد و بنابراین، همکاری با این مرکز برای ما بسیار سودمند خواهد بود.

تفاوت سرن و اس‌کی‌ای در این است که سرن روی آزمایش‌ها یعنی آزمایش‌های برخورددهنده بزرگ هادرون (ال‌اچ‌سی) کار می‌کند. اما اس‌کی‌ای همانند تمام دستگاه‌های نجومی، رصدخانه‌ای است که داده‌های آن بعد از حدود یک‌سال منتشر می‌شود.

تفاوت میان آزمایش‌های سرن با رصدهای اس‌کی‌ای در این است که درصورت احتمال بسیار اندک از دست رفتن داده‌های ذخیره‌شده، آزمایش برخورد پروتون‌ها بارها می‌تواند تکرار شود و به دوباره به نتایج ازدست‌رفته برسد اما داده‌هایی که رصدخانه در این لحظه جمع‌آوری می‌کند فقط برای رویدادی است که درست همین لحظه در کیهان رخ داده‌است و دیگر امکان بازتولید آن وجود ندارد.

برای مثال، اگر ابرنواختری منفجر شود من فقط یک دقیقه یا 15 دقیقه یا درنهایت یک‌ساعت فرصت دارم که داده‌های آن را جمع‌آوری کنم و این رویداد درمورد آن ابرنو اختر خاص تکرار نخواهد شد. بنابراین جمع‌آوری و ذخیره و نگهداری داده‌های آن رویداد به‌شیوه‌ای دقیق و ایمن ضروری است.

پس، همکاری میان سرن و اس‌کی‌ای بسیار مهم است زیرا صحبت از چندصد پتابایت داده‌ و بحث کلان‌داده‌ها، ذخیره‌سازی و سامانه‌های محاسباتی عظیم است و ما می‌توانیم ضمن تبادل اطلاعات از تجربیات سرن در این راه استفاده کنیم.»

هدا عربشاهی - دانش / روزنامه جام جم