تلسکوپ Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) از پیشرفته‌ترین ابزارهای نجوم رادیویی جهان است که با 66 آنتن غول‌پیکر خود در صحرای آتاکاما در شیلی، امکان رصد امواج میلی‌متری و زیرمیلی‌متری از اعماق کیهان را فراهم کرده است. این تلسکوپ، که نتیجه همکاری بین‌المللی بین اروپا، آمریکای شمالی، آسیای شرقی، و شیلی است، به مطالعه سردترین و دورترین اجرام کیهانی، از ابرهای مولکولی گرفته تا کهکشان‌های اولیه، می‌پردازد.
مشخصات و جزئیات تلسکوپ ALMA
تلسکوپ ALMA شامل 66 آنتن پارابولیک است: 54 آنتن 12 متری و 12 آنتن 7 متری، که در فلات چاجنانتور در ارتفاع 5000 متری قرار دارند. این آرایه با مساحت جمع‌آوری بیش از 6600 مترمربع، در بازه فرکانسی 31 تا 1000 گیگاهرتز (طول‌موج 0.32 تا 3.6 میلی‌متر) کار می‌کند. آنتن‌ها می‌توانند در فواصل 150 متر تا 16 کیلومتر جابه‌جا شوند، که رزولوشن زاویه‌ای از 9 میلی‌ثانیه قوسی (mas) در 0.7 میلی‌متر تا 8.5 ثانیه قوسی در 7.5 میلی‌متر را فراهم می‌کند. آرایه فشرده آتاکاما (ACA) با 16 آنتن، برای تصویربرداری از ساختارهای بزرگ مانند ابرهای گازی طراحی شده است. ALMA با حساسیت و رزولوشن بی‌سابقه، ابزار کلیدی برای نجوم میلی‌متری است.
چرا در صحرای آتاکاما ساخته شد؟
صحرای آتاکاما به دلیل شرایط منحصربه‌فردش برای تلسکوپ ALMA انتخاب شد. این منطقه، یکی از خشک‌ترین نقاط زمین، رطوبت بسیار کمی دارد که جذب امواج میلی‌متری توسط بخار آب را به حداقل می‌رساند. فلات چاجنانتور در ارتفاع 5000 متری، با هوای رقیق و کاهش اختلالات جوی، شرایط ایده‌آلی برای رصد فراهم می‌کند. این مکان همچنین از آلودگی نوری و تداخل الکترومغناطیسی دور است، که برای دریافت سیگنال‌های ضعیف کیهانی حیاتی است. میانگین بارش سالانه کمتر از 100 میلی‌متر و آسمان صاف، آتاکاما را به مکانی بی‌نظیر برای نجوم رادیویی تبدیل کرده است.
فناوری پیشرفته پشت پروژه عظیم ALMA
ALMA از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند تداخل‌سنجی رادیویی، گیرنده‌های فوق‌هادی خنک‌شده تا 4 کلوین، و سوپرکامپیوتر کورلیتر (Correlator) با ظرفیت 17 کوادریلیون عملیات در ثانیه استفاده می‌کند. هر آنتن مجهز به 10 گیرنده با باندهای فرکانسی مختلف است که سیگنال‌های میلی‌متری را با دقت بی‌نظیری جمع‌آوری می‌کنند.
آنتن‌ها با استفاده از حمل‌کننده‌های سفارشی (Otto و Lore) با دقت میلی‌متری جابه‌جا می‌شوند. سیستم انتقال داده فیبر نوری و نرم‌افزار CASA برای پردازش داده‌ها، ALMA را به ابزاری با حساسیت و رزولوشن 10 برابر بهتر از تلسکوپ هابل تبدیل کرده است.
آشنایی با 66 آنتن غول‌پیکر تلسکوپ ALMA
آرایه ALMA شامل 50 آنتن 12 متری در آرایه اصلی و 16 آنتن (12 عدد 7 متری و 4 عدد 12 متری) در آرایه فشرده آتاکاما (ACA) است. آنتن‌های 12 متری، با سطح دقت کمتر از 20 میکرومتر، از پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) و پنل‌های نیکل با روکش رودیوم ساخته شده‌اند. هر آنتن 115 تن وزن دارد و در دماهای -20 تا +20 درجه سانتی‌گراد کار می‌کند. آرایه اصلی برای رزولوشن بالا و ACA برای تصویربرداری میدان وسیع طراحی شده‌اند. این آنتن‌ها با همکاری اروپا (25 آنتن 12 متری)، آمریکای شمالی (25 آنتن 12 متری)، و آسیای شرقی (16 آنتن ACA) تأمین شده‌اند.
داستان ساخت ALMA؛ از ایده تا اجرا
ایده ALMA از ترکیب سه پروژه نجومی سرچشمه گرفت: Millimeter Array (MMA) آمریکا، Large Southern Array (LSA) اروپا، و Large Millimeter Array (LMA) ژاپن. در سال 1997، NRAO و ESO پروژه مشترکی را آغاز کردند، و در 2004 ALMA جهانی شد. ساخت در سال 2003 شروع شد، با اولین آنتن در 2009 نصب شد. عملیات علمی در 2011 با 16 آنتن آغاز شد، و در مارس 2013 با تکمیل 66 آنتن، ALMA رسماً افتتاح شد. هزینه 1.4 میلیارد دلاری این پروژه، آن را به گران‌ترین تلسکوپ زمینی تبدیل کرد.
چالش‌های فنی ساخت تلسکوپ ALMA در ارتفاع 5000 متری
ساخت تلسکوپ ALMA در فلات چاجنانتور چالش‌های زیادی داشت. ارتفاع 5000 متری و کمبود اکسیژن، کارگران را ملزم به استفاده از مخازن اکسیژن کرد. دماهای شدید و بادهای قوی، نصب آنتن‌ها را دشوار کرد.
حمل آنتن‌های 115 تنی به ارتفاعات با حمل‌کننده‌های مخصوص، نیاز به مهندسی دقیق داشت. زیرساخت‌هایی مانند جاده‌ها و تأسیسات برق در محیطی خشن ساخته شدند. تداخل سیگنال‌های جوی حتی در این ارتفاع نیز نیاز به گیرنده‌های خنک‌شده و کالیبراسیون دقیق داشت. این چالش‌ها با همکاری بین‌المللی و فناوری پیشرفته برطرف شدند.
ساختار و ترکیب رادیوآنتن‌های ALMA
هر آنتن ALMA شامل یک بازتاب‌دهنده پارابولیک، گیرنده‌های Front End خنک‌شده تا 4 کلوین، و سیستم Back End برای دیجیتالی کردن سیگنال‌هاست. بازتاب‌دهنده‌ها از CFRP و پنل‌های نیکل با دقت سطحی 20 میکرومتر ساخته شده‌اند. گیرنده‌ها در 10 باند فرکانسی (84-720 گیگاهرتز) کار می‌کنند و سیگنال‌ها را از طریق فیبر نوری به کورلیتر منتقل می‌کنند. کورلیتر، یک سوپرکامپیوتر، سیگنال‌های 66 آنتن را ترکیب کرده و تصاویر با رزولوشن بالا تولید می‌کند. این ساختار امکان رصد اجرام سرد مانند ابرهای مولکولی را با دقت بی‌سابقه فراهم می‌کند.
ALMA چگونه امواج رادیویی از اعماق فضا را دریافت می‌کند؟
تلسکوپ ALMA با استفاده از تداخل‌سنجی، امواج میلی‌متری و زیرمیلی‌متری را جمع‌آوری می‌کند. هر آنتن سیگنال را دریافت کرده و به گیرنده‌های Front End در دمای 4 کلوین منتقل می‌کند تا نویز به حداقل برسد. سیگنال‌ها سپس دیجیتالی شده و از طریق فیبر نوری به کورلیتر ارسال می‌شوند. کورلیتر با دقت کمتر از یک میلیونم میلیونم ثانیه، سیگنال‌ها را هم‌زمان کرده و تصویری معادل یک تلسکوپ 16 کیلومتری تولید می‌کند. این فرآیند امکان رصد اجرام دوردست با رزولوشن بالا را فراهم می‌کند.
کاربرد تلسکوپ ALMA در نجوم رادیویی
ALMA در نجوم رادیویی برای مطالعه اجرام سرد و فرآیندهای کیهانی کلیدی استفاده می‌شود. این تلسکوپ ابرهای مولکولی، دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای، و کهکشان‌های دوردست را رصد می‌کند. کاربردها شامل بررسی تشکیل ستارگان و سیارات، مطالعه شیمی کیهانی (مانند مولکول‌های آلی)، و تحلیل کهکشان‌های اولیه است.
تلسکوپ ALMA همچنین در رصد جت‌های ستاره‌ای، سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم، و پدیده‌های گذرا مانند انفجارهای گاما نقش دارد. توانایی آن در تصویربرداری با رزولوشن بالا، ALMA را به ابزاری بی‌رقیب در نجوم میلی‌متری تبدیل کرده است.
بررسی ارتفاع 5000 متری و تأثیر آن بر دقت رصد
ارتفاع 5000 متری فلات چاجنانتور تأثیر عمیقی بر دقت رصد ALMA دارد. هوای رقیق در این ارتفاع، جذب امواج میلی‌متری توسط بخار آب را کاهش می‌دهد و سیگنال‌های کیهانی را با حداقل تحریف منتقل می‌کند. این ارتفاع همچنین تداخل جوی و نویز حرارتی را به حداقل می‌رساند، که برای گیرنده‌های فوق‌هادی حیاتی است. بااین‌حال، شرایط سخت محیطی، مانند دماهای پایین و بادهای شدید، کالیبراسیون مداوم آنتن‌ها را ضروری می‌کند. این ارتفاع ALMA را قادر ساخته تا رزولوشنی تا 10 برابر بهتر از هابل ارائه دهد.
همکاری کشورهای مختلف در ساخت
ALMA نتیجه همکاری بین‌المللی بین ESO (اروپا)، NRAO (آمریکای شمالی)، NAOJ (آسیای شرقی)، و شیلی است. اروپا و آمریکا هر کدام 25 آنتن 12 متری، و آسیای شرقی 16 آنتن ACA (4 عدد 12 متری و 12 عدد 7 متری) تأمین کردند. ESO عملیات را رهبری می‌کند، NRAO مدیریت آمریکای شمالی را بر عهده دارد، و NAOJ گیرنده‌ها و کورلیتر ACA را توسعه داد. شیلی زمین و زیرساخت‌ها را فراهم کرد. این همکاری، که از سال 2004 رسمی شد، هزینه 1.4 میلیارد دلاری را بین شرکا تقسیم کرد و ALMA را به پروژه‌ای جهانی تبدیل کرد.
مقایسه تلسکوپ ALMA با دیگر رادیوتلسکوپ‌ها مانند FAST و VLA
ALMA، FAST (چین)، و VLA (آمریکا) تلسکوپ‌های رادیویی برجسته‌ای هستند، اما تفاوت‌هایی دارند. ALMA با 66 آنتن و تداخل‌سنجی، در بازه میلی‌متری (0.32-3.6 میلی‌متر) رزولوشنی تا 9 mas ارائه می‌دهد، درحالی‌که تلسکوپ FAST، با تک‌دیش 500 متری، در بازه 70 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز کار می‌کند و برای رصدهای پهن‌باند مناسب است. VLA با 27 آنتن 25 متری، در بازه 1-50 گیگاهرتز رزولوشنی کمتر از ALMA دارد. ALMA برای اجرام سرد و رزولوشن بالا، تلسکوپ FAST برای پالسارها، و VLA برای ساختارهای کهکشانی مناسب‌ترند.
بررسی کشف کهکشان‌های اولیه توسط ALMA
تلسکوپ ALMA کهکشان‌های اولیه را که تنها چند صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ تشکیل شدند، رصد کرده است. در سال 2013، ALMA کهکشان‌های starburst را شناسایی کرد که زودتر وجود داشتند. در 2018، کهکشان MACS1149-JD1 با redshift 9.1 (13.28 میلیارد سال پیش) رصد شد، که نشان‌دهنده تشکیل ستارگان در 250 میلیون سال پس از بیگ‌بنگ بود. این مشاهدات، که با ترکیب داده‌های هابل و ALMA انجام شد، درک ما از تشکیل کهکشان‌ها و بازتاب کیهانی را متحول کرد. حساسیت ALMA به گاز سرد، آن را برای این کشفیات ایده‌آل کرد.
نحوه تنظیم و کالیبراسیون آنتن‌های ALMA
تنظیم و کالیبراسیون تلسکوپ ALMA برای حفظ دقت حیاتی است. آنتن‌ها با حمل‌کننده‌های Otto و Lore با دقت میلی‌متری در 192 پایه بتنی جابه‌جا می‌شوند. کالیبراسیون شامل تنظیم دقیق گیرنده‌ها، هم‌زمان‌سازی سیگنال‌ها با دقت یک میلیونم میلیونم ثانیه، و جبران اثرات جوی است. نرم‌افزار CASA داده‌ها را پردازش کرده و خطاها را اصلاح می‌کند. کالیبراسیون مداوم، به‌ویژه در شرایط متغیر جوی، رزولوشن و حساسیت ALMA را تضمین می‌کند. این فرآیند توسط تیم‌های مستقر در Operations Support Facility (OSF) در ارتفاع 2900 متری مدیریت می‌شود.
همکاری تلسکوپ ALMA با تلسکوپ‌های اپتیکی و مادون قرمز
ALMA با تلسکوپ‌های اپتیکی و مادون قرمز مانند هابل، تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT)، و تلسکوپ جیمز وب (JWST) همکاری می‌کند تا تصاویر چندطول‌موجی از کیهان ارائه دهد. برای مثال، ALMA گاز سرد و گردوغبار را رصد می‌کند، درحالی‌که تلسکوپ هابل و JWST نور مرئی و مادون قرمز از ستارگان را ثبت می‌کنند. در مطالعه دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای، ALMA ساختار گردوغبار و VLT شیمی گازها را تحلیل می‌کند. این همکاری، که از طریق توافق‌نامه‌های رسمی با ESO و STScI انجام می‌شود، درک جامعی از فرآیندهای کیهانی مانند تشکیل ستارگان فراهم می‌کند.
عملکرد ALMA در شرایط آب‌و‌هوایی خشک صحرای آتاکاما
شرایط خشک آتاکاما برای عملکرد ALMA حیاتی است. رطوبت کم (کمتر از 10%) جذب امواج میلی‌متری را کاهش می‌دهد، که در مکان‌های مرطوب غیرممکن است. دمای پایدار و آسمان صاف، نویز جوی را به حداقل می‌رسانند. بااین‌حال، حتی در آتاکاما، مقادیر ناچیز بخار آب می‌توانند سیگنال را مختل کنند، که نیاز به گیرنده‌های خنک‌شده و کالیبراسیون دقیق دارد. این شرایط تلسکوپ ALMA را قادر ساخته تا سیگنال‌های ضعیف از کهکشان‌های دوردست را با دقت بالا دریافت کند.
نگاهی به مهم‌ترین کشفیات علمی تلسکوپ ALMA
ALMA کشفیات متعددی داشته است:
- تشکیل سیارات: در 2014، تصاویر دقیق از دیسک پیش‌سیاره‌ای HL Tauri شکاف‌هایی را نشان داد که نشانه تشکیل سیارات بود.
- مولکول‌های آلی: شناسایی مولکول‌های پیچیده مانند متیل الکل در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای.
- کهکشان‌های اولیه: رصد کهکشان‌هایی با redshift بالا، مانند MACS1149-JD1.
- سیاه‌چاله‌ها: کمک به تصویربرداری از سیاه‌چاله M87 در 2019 با شبکه EHT.
- جت‌های ستاره‌ای: کشف جت‌های پرسرعت از ستاره MWC 349A.
این کشفیات، که با حساسیت و رزولوشن بی‌نظیر ALMA ممکن شد، درک ما از کیهان را متحول کرده‌اند.
تکنولوژی فاز تداخل‌سنجی در ALMA چگونه کار می‌کند؟
تداخل‌سنجی در ALMA امکان ایجاد تصاویر با رزولوشن بالا را فراهم می‌کند. هر آنتن سیگنال‌های میلی‌متری را جمع‌آوری کرده و به کورلیتر منتقل می‌کند. کورلیتر سیگنال‌ها را با دقت زمانی بالا ترکیب کرده و تصویری معادل یک تلسکوپ با قطر 16 کیلومتر تولید می‌کند. رزولوشن به فاصله بین آنتن‌ها (baseline) بستگی دارد: فواصل بیشتر رزولوشن بالاتری ارائه می‌دهند. تداخل‌سنجی تلسکوپ ALMA با تنظیم فاز سیگنال‌ها و جبران تأخیرهای جوی، تصاویر دقیقی از اجرام کیهانی مانند دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای ایجاد می‌کند.
منبع: ابرار صنعتی
