جستجوی ماده و انرژی تاریک با SKAO
«رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی» با نام اختصاری SKAOکه پیش از آغاز دهه ۲۰۳۰ تکمیل خواهد شد، می‌تواند جستجوگر خوبی برای یافتن ماده تاریک و انرژی تاریک باشد. دو تلسکوپ بزرگ این رصدخانه حساسیت فوق‌العاده زیادی به نور طول موج ۲۱ سانتیمتر دارند. هیدروژن این نور را زمانی که برانگیخته می‌شود منتشر می‌کند. از آنجا که بیشترین بخش جهان هستی از هیدروژن که همان ستاره‌ها باشند تشکیل شده‌است، رصدخانه SKAاز شکل و ساختار میلیاردها کهکشان به طور دقیق اطلاعات سه بعدی فراهم خواهد کرد. این نقشه‌برداری دقیق و پرجزئیات نشان خواهد داد چگونه ماده تاریک، کهکشان‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد و چگونه انرژی تاریک جهان را متلاشی می‌کند. دانشمندان با این داده‌های پرجزئیات قادر خواهند بود از این دو پدیده مدل‌سازی کنند. با شروع کار این رصدخانه میان قاره‌ای آنها به یکی از بزرگترین معماهای کیهان شناسی که چیستی ماده تاریک و انرژی تاریک است پاسخ خواهند داد. با همه این‌ها، مهم‌ترین مأموریت رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی یا SKAOمأموریت «گهواره حیات» است.
***
در پنجم دسامبر ۲۰۲۲ ساخت یک رصدخانه رادیویی نوین میان قاره‌ای و بین‌المللی آغاز شد. نام آن «رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی» است که با نام مخفف SKAOبه دنیا معرفی شده‌است. این رصدخانه فوق‌العاده حساس که پس از ۳۰ سال طراحی و آماده‌سازی برافراشته می‌شود و قرار است بزرگترین رادیو تلسکوپ تاریخ باشد متشکل از دو تلسکوپ خواهد بود که به طور هم‌زمان در دو قاره مختلف، استرالیا و آفریقا، ساخته می‌شوند. هدف از ساخت آن این است‌که با مشارکت جهانی و ابتکار دانشمندان درک و شناخت انسان از جهان هستی و قوانین فیزیک بنیادی عمیق‌تر شود. رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی چشم‌اندازی بی‌سابقه از جهان در پیش روی ما قرار خواهد داد و به دانشمندان کمک خواهد کرد تا به برخی از مبرم‌ترین پرسش‌های علم و بشر درباره ماهیت هستی پاسخ دهند.
این رصدخانه متشکل از تلسکوپ است، اما نه تلسکوپی که بسیاری از ما دیده‌ایم یا با آن کار کرده‌ایم. تلسکوپ آن از نوع رادیویی است؛ یعنی بر خلاف تلسکوپ‌های دیداری به جای آینه‌ها و لنزهای نوری دارای دیش و آنتن است. بنابراین، نمی‌تواند تصویر تولید کند؛ در عوض سیگنال‌های رادیویی را که بی‌شمار اجرام آسمانی از خود منتشر می‌کنند جمع‌آوری می‌کند. از آنجا که تصویری در این بین وجود ندارد، هر چه تعداد دیش‌ها و آنتن‌ها بیشتر باشد، سیگنال قوی‌تر و پرجزئیات‌تری ایجاد می‌شود؛ چون داده‌های این نوع تلسکوپ ساده‌تر هستند و ترکیب کردن و در کنار هم قرار دادن آنها آسان‌تر است. این تکنیکی است‌که رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی از آن استفاده می‌کند تا در زمره یکی از حساس‌ترین تلسکوپ‌های دنیا قرار گیرد و چه بسا منحصر به فردترین آنها شود.
اگر چه نام این تأسیسات نجومی کلان‌داده، رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی است اما در واقع یک سازمان بین‌دولتی محسوب می‌شود که ملت‌های سراسر دنیا را به هم نزدیک می‌کند.
این سازه علمی دوگانه عظیم یکی از بزرگترین رصدخانه‌هایی خواهد شد که سیاره زمین به خود دیده است و پیش از پایان دهه ۲۰۲۰ پایگاه جدیدی برای کاوش های کیهان‌شناختی ستاره‌شناس‌ها خواهد شد. حساسیت و گستردگی این مگاتلسکوپ به قدری زیاد است که بخش زیادی از فناوری اخترشناختی فعلی را از رده خارج خواهد کرد.
تلسکوپ‌های رادیویی تحت تأثیر شرایط جوی و آب هوایی قرار نمی‌گیرند، چون سیگنال‌ها می‌توانند بدون آن‌که مسدود شوند از درون هوا و ابرها عبور کنند. با این حال، اگر نویزی که فناوری‌های انسان‌ها به وجود می آورند، مانند پارازیت های مخابراتی، سیستم های الکتریکی پرقدرت و حتی ریزموج ها در فضای اطراف آنها باشد، در عملکرد تلسکوپ‌های رادیویی اختلال ایجاد می‌کند. نویز رادیویی در نیمکره جنوبی زمین بسیار کمتر است و دو منطقه‌ای که در آفریقای جنوبی و استرالیای غربی برای رصدخانه SKAانتخاب شده‌اند بی‌نهایت بی‌صدا و آرام هستند. دلیل حساسیت باورنکردنی تلسکوپ‌ها نیز همین امر است.
دو نقطه‌ای که برای ساخت تلسکوپ‌ها در نظر گرفته شده‌اند، زمین‌های اجدادی بومیان «واجاری» در منطقه «مورچیسون» در استرالیای غربی و منطقه نیمه بیابانی «کارو» در آفریقای جنوبی، بدون امواج رادیویی حاصل از فناوری‌های انسانی هستند و درست همین دور از دسترس بودن آنها و نبود تداخل رادیویی شرایط را برای رصدهای واضح فراهم می‌آورد. علت دیگر استقرار آنها در نیمکره جنوبی این است که در این ناحیه از سیاره بهترین دید از کهکشان راه شیری به دست می‌آید. اگر تلسکوپ‌ها در نیمکره شمالی ساخته می‌شدند، فرصت رصد کهکشان با کیفیتی که در نیمکره جنوبی فراهم است از ستاره‌شناس‌ها گرفته می‌شد.
دو تلسکوپ SKAOدو دامنه فرکانس مختلف را پوشش خواهند داد. یکی از آنها با نام SKA-Midکه در آفریقای جنوبی ساخته می‌شود آرایه‌ای از ۱۹۷ دیش است و فرکانس‌های بین ۳۵۰ مگاهرتز و ۴ر۱۵ گیگاهرتز را شناسایی خواهد کرد. در حال حاضر در این منطقه رادیو تلسکوپ «مرکات» با ۶۴ دیش که هر کدام به قطر ۵ر۱۳ متر است به رصد آسمان مشغول است. تلسکوپ دوم، SKA-Low، نیز که آرایه‌ای از ۱۳۱هزار و۷۲ آنتن کوچک‌تر و شبیه به درخت است در استرالیای غربی، بزرگترین ایالت کشور استرالیا برپا می‌شود و فرکانس‌های ۵۰ تا ۳۵۰ مگاهرتز را دریافت خواهد کرد.
هر دو تلسکوپ پهنه وسیعی از زمین را اشغال می‌کنند. ایستگاه های گیرنده آنها از هسته مرکزی دست‌کم ۳۰۰۰ کیلومتر فاصله خواهند داشت. در آفریقای جنوبی، دورترین آنتن‌ها در فاصله ۱۵۰ کیلومتری قرار خواهند گرفت و در استرالیا در مساحت ۷۴ کیلومتر و طبق برخی منابع ۶۵ کیلومتر نصب خواهند شد. با این ویژگی، ستاره‌شناسی رادیویی از تصاویری با بالاترین وضوح تصویر بهره‌مند خواهد شد. وسعت این آرایه تلسکوپی سبب می‌شود که ۵۰ برابر حساس‌تر از تلکسوپ‌های رادیویی دیگر باشد. همچنین، قادر است ۱۰ هزار برابر سریع‌تر از هر رصدخانه رادیویی دیگری آسمان را رصد کند. این معادل توانایی یک تلسکوپ بصری (visual telescope)با دید زاویه باز و وضوح فوق‌العاده بالا است که می‌تواند با یک تصویر از هزاران ستاره با چنان جزئیاتی عکس‌برداری کند که سیاره‌های فراخورشیدی اطراف آنها نیز برایش قابل شناسایی باشند. ستاره شناس‌ها با آگاهی از این قابلیت‌ها، بی‌صبرانه منتظر زمان راه‌اندازی و فعالیت این رصدخانه هستند.
تلسکوپ‌های رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی مجهز به مدرن‌ترین و پیشرفته‌ترین فناوری‌ها از جمله پرسرعت‌ترین اَبَررایانه‌های دنیا هستند و با آشکارسازی عملکرد داخلی کهکشان‌ها و پیدایش و تحولات آنها مطالعه ساختار جهان با جزئیاتی بسیار دقیق را ممکن می‌کنند. همچنین آگاهی دانشمندان از محیط وهمناک و خشن اطراف سیاه چاله‌ها را بالا می‌برند و مسیر امواج گرانشی را قابل ردیابی می‌کنند. در مجموع، با وجود آنها انجام انبوهی از مطالعات و پژوهش‌های بلندپروازانه علمی امکان‌پذیر خواهد شد.
وقتی رصدخانه SKAکار خود را شروع کند، با حساسیتی بی‌نظیر سیگنال‌های رادیویی را که از منشأ کیهانی خود با میلیاردها سال نوری فاصله منتشر می‌شوند شناسایی خواهد کرد. این قابلیت و یافته‌هایی که به دنبال می‌آیند دانش ستاره‌شناسی را وارد قلمرو تازه‌ای خواهند کرد؛ به طوری که دانشمندان قادر خواهند بود به جستجوی اسرار ماده تاریک و انرژی تاریک بپردازند و فصل‌های آغازین پیدایش جهان را با ثبت زمان تولد و مرگ ستارگان اولیه مورد مطالعه قرار دهند. آنها از این طریق به چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها پی خواهند برد.
یکی از کارهایی که پس از افتتاح این رصدخانه انجام می‌شود، آزمودن نظریه نسبیت عام انیشتین تا بالاترین حد ممکن است. نسبیت نظریه انیشتین درباره گرانش است و یکی از موشکافانه‌ترین نظریه‌های دنیای علم محسوب می‌شود؛ چرا که پدیده‌های ستاره‌شناسی مانند سیاه‌چاله‌ها، مدار مریخ، امواج گرانشی و همگرایی گرانشی را پیش‌بینی کرده‌است. اما دو نظریه نسبیت و کوانتوم با هم تطابق ندارند. نظریه کوانتوم به تازگی مورد آزمایش قرار گرفته شده و به اندازه نظریه نسبیت به تأیید رسیده‌است. این بدان معنا است که در حقیقت امر یکی از آن دو نادرست است. دانشمندان SKAOدر صدد هستند با استفاده از تب اخترها و سیاه چاله‌ها نظریه نسبیت را در شرایط ناهنجار آزمایش کنند. تب‌اخترها سیگنال‌های رادیویی را در تناوبی منظم منتشر می‌کنند. از این جهت، شبیه به یک ساعت عظیم هستند که هرگز زمان از کنترلش خارج نمی‌شود. طبق قانون نسبیت، سیاه‌چاله‌ها موجب خمیده شدن فضا ـ زمان می‌شوند که نتیجۀ آن میزان قابل پیش‌بینی «اتساع زمان» (time dilation)است. ستاره‌شناس‌ها می‌خواهند به کمک این رصدخانه تب‌اختری را ببینند که در اطراف یا درون اتساع زمان به طرز مارپیچی حرکت می‌کند. سپس در خواهند یافت آیا این اتساع زمان همان‌طور که انیشتین پیش‌بینی کرده اتفاق می‌افتد یا خیر. اگر این رصدخانه بتواند یک نظریه هندسی جدید برای گرانش ارائه دهد، مسیر برای شکل‌گیری یک نظریه همه چیزِ یکپارچه که هم گرانش و هم مکانیک کوانتوم را شامل شود هموار خواهد شد.
برای این‌که تصوری از قدرت حیرت‌انگیز این آرایه تلسکوپی داشته باشیم، کافی است بدانیم که اگر برای مثال تلفن همراهی در جیب یک فضانورد در سیاره مریخ باشد، یعنی فضانورد ۲۲۵ میلیون کیلومتر از این تلسکوپ‌ها دور باشد، آنها وجود تلفن همراه را از چنین فاصله‌ای تشخیص خواهند داد. موضوع وقتی جالب‌تر می‌شود که بدانیم اگر جوامع هوشمندی ساکن ستاره‌های نزدیک منظومه شمسی باشند و فناوری‌هایی مشابه فناوری‌های ما داشته باشند، SKAOمی‌تواند توده تابش‌های تراوش شده از شبکه‌های رادیویی و مخابراتی آنها را نیز شناسایی کند و این نخستین تلسکوپ تاریخ است که از چنین میزان حساسیتی برخوردار است.
ساخت و راه‌اندازی این تلسکوپ‌ها که دفتر مرکزی آنها در انگلستان است این رصدخانه را به یک سازمان پیشتاز اخترشناسی رادیویی در سطح جهان بدل خواهد کرد و در دهه‌های پیشِ رو توانایی‌ها و امکانات علمی فراوانی را در اختیار جامعه ستاره‌شناسی بین‌المللی قرار خواهد داد.
در واقع رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی مجموعه‌ای از سه سایت است؛ چون رصدخانه «جادرِل بَنک» متعلق به مرکز اخترفیزیک «دانشگاه منچستر» در انگلستان نیز وظیفه جمع‌آوری و پردازش داده‌های SKAOرا بر عهده خواهد داشت. جادرِل بَنک که نخستین استفاده از آن برای مطالعات اخترفیزیکی به سال ۱۹۴۵ برمی‌گردد در این زمینه تخصص و تجربه کافی دارد.
تولد و توسعه رصدخانه SKA
ایده اولیه ساخت رصدخانه آرایه کیلومتر مربعی بیش از ۳۰ سال پیش، در دهه ۱۹۸۰ شکل گرفت؛ زمانی که ستاره‌شناس‌های سراسر دنیا گردهم آمدند تا به کمک امواج رادیویی راهی برای کشف سرگذشت و اسرار جهان بیابند. سپس، در سال ۲۰۰۰ نخستین موافقت‌نامه به امضاء رسید. در آوریل ۲۰۱۵ رصدخانه جادرِل بَنک به عنوان ساختمان مرکزی این پروژه انتخاب شد و در سال ۲۰۱۹ به طور رسمی کار خود را آغاز کرد. کنسرسیوم SKAOدر سال ۲۰۱۹ در شهر رم با هفت عضو اولیه که هفت کشور مختلف بودند بنیان‌گذاری شد که شامل استرالیا، چین، ایتالیا، هلند، پرتغال، آفریقای جنوبی و انگلستان است. متعاقب آن چندین کشور دیگر نیز به آنها پیوستند؛ به طوری که در سال ۲۰۲۱ تعداد اعضای این کنسرسیوم به ۱۴ کشور رسید.
پروژه ساخت شامل دو فازSKA1 وSKA2 است. فاز نخست در سال ۲۰۰۸ آغاز و در ۲۰۲۰ پایان یافت. فاز دوم که بسیار بزرگ‌تر و گسترده‌تر است طبق برنامه‌ریزی در سال ۲۰۲۵ به اتمام خواهد رسید.
جزئیات دقیق‌تر روند توسعه و راه‌اندازی بدین شرح است که تا سال ۲۰۲۴ چهار آنتن در استرالیا و شش دیش عملیاتی در آفریقای جنوبی فعال خواهند شد. آنها مرحله آزمایش را خواهند گذراند تا تردیدی نماند که می‌توانند در هماهنگی با یکدیگر به راحتی کار کنند. پس از این که مهندس‌ها مطمئن شدند هیچ اشکالی در عملکرد این آنتن‌ها و دیش‌های آماده شده وجود ندارد، دو سایت مکمل رصدخانه طبق برنامه‌ریزی در سال ۲۰۱۸ تکمیل خواهند شد. گستره منطقه دریافت سیگنال در استرالیا توسط مجموع ۱۳۰ هزار آنتن و دیش، ۵۰۰ هزار متر مربع خواهد بود. پس از سال ۲۰۲۸ رصد آسمان آغاز خواهد شد، اما در این حین محدوده رصد همچنان توسعه داده خواهد شد و در نهایت منطقه بزرگی به وسعت یک میلیون متر مربع به آن اختصاص خواهد یافت.
در یک مقایسه کوتاه، مساحت رصدخانه رادیویی معروف «آرِسیبو» در پورتوریکو تنها ۷۳۰۶۱ متر مربع و ابعاد تلسکوپ فضایی فوق حساس «جیمز وب» فقط ۲۵ متر مربع است. با این وصف، SKAO بزرگترین و حساس‌ترین رادیوتلسکوپی خواهد بود که تا به حال ساخته شده‌است.
code
اکبر عزیزی اقدامی دیر، اما باارزش