التلسكوب يصطاد الثقوب السوداء

التلسكوب يصطاد الثقوب السوداء

مصر: إيهاب محمد زايد

مجموعة ضخمة من أجهزة التلسكوب منخفضة التكلفة يمكن أن تصطاد بسرعة لانفجارات الراديو ، والثقوب السوداء الضخمة

عندما انهار تلسكوب Arecibo الراديوي الهائل في بورتوريكو في عام 2020 ، ترك فجوات في علم الفلك. الآن ، يأمل فريق من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) في معالجة بعض الفجوات بأداة مختلفة تمامًا: مجموعة معبأة بإحكام من أطباق الراديو غير المكلفة نسبيًا والتي تهدف إلى تصوير مصادر الراديو بسرعة عبر مساحات واسعة من السماء. مجموعة نماذج أولية شبه مكتملة في كاليفورنيا يسميها الفريق “كاميرا راديو” تقوم بالفعل بتحديد موقع العشرات من الانفجارات البعيدة والغامضة التي تسمى الاندفاعات الراديوية السريعة (FRBs). في العام المقبل ، يأمل الفريق في البدء في البناء على مجموعة أكبر بكثير من 2000 طبق والتي ، مجتمعة ، سوف تتناسب مع حجم Arecibo.

ماورا ماكلولين من جامعة وست فرجينيا هي قائدة NANOGrav (مرصد Nanohertz لأمواج الجاذبية في أمريكا الشمالية) ، وهي محاولة للبحث عن موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الهائلة التي اعتمدت على Arecibo لنصف بياناتها. وتقول إنهم تعرضوا “لضربة حساسية كبيرة” عندما ضاعت. “نحتاج حقًا إلى تلسكوب جديد بمنطقة تجميع مماثلة” ، كما تقول ، ومصفوفة Deep Synoptic (DSA) المخطط لها من Caltech تناسب هذه الفاتورة. “سوف يغير قواعد اللعبة.”

لاكتساب الحساسية ، يمكن لعلماء الفلك الراديوي صنع أطباق كبيرة مثل Arecibo أو صفائف من الأطباق الأصغر. ولكن في معظم هذه المصفوفات ، تكون الأطباق متباعدة على نطاق واسع ، مما يزيد من دقة وضوحها ولكنه يخلق “مشكلة طوفان البيانات” ، كما يقول جريج هالينان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، الباحث الرئيسي في DSA (PI). إن إنتاج صورة من مصفوفة مبعثرة يشبه النظر من خلال مرآة مجزأة ، كما يقول ، وإعادة تكوين المعلومات من الأجزاء المفقودة هي عملية معقدة غير خطية تُعرف باسم deconvolution يمكن أن تستغرق أسابيع – أو حتى سنوات.

يريد العديد من علماء الفلك فقط مسح السماء بانتظام بحثًا عن أجسام جديدة أو مراقبة المصادر لإجراء تغييرات طفيفة دون عبء معالجة ثقيل. يقول هالينان إن حل معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا هو “ملء المرآة” من خلال تعبئة الأطباق منخفضة التكلفة معًا. هذا يجعل التفكيك أسهل ويجب أن يمكّن DSA من إنشاء الصور في الوقت الفعلي.

انتهى الفريق تقريبًا من تجميع النموذج الأولي ، DSA-110 ، وهو عبارة عن مجموعة على شكل حرف T مكونة من 95 طبقًا متباعدة مترًا واحدًا في مرصد أوينز فالي الإذاعي التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في كاليفورنيا بالإضافة إلى 15 “ركيزة” منتشرة على بعد أكثر من كيلومتر واحد. للحفاظ على تكاليف البناء عند 4 ملايين دولار ، تستخدم الأداة الأطباق المتوفرة تجاريًا مقاس 4.6 متر ، ومكبرات الصوت محلية الصنع ، وموجزات توجيه الموجة المصنوعة من علب الكعك. تتطلب معظم التلسكوبات الراديوية تبريدًا مبردًا باهظًا لتقليل ضوضاء مكبر الصوت ، لكن مهندسي Caltech قاموا بإخراج أداء مماثل من دوائر درجة حرارة الغرفة. (يعترف Co-PI Vikram Ravi بأنهم أقل أداءً في حرارة الصيف).

من خلال مجال الرؤية الواسع ، يعد DSA-110 جيدًا في اكتشاف FRBs ، الانفجارات الشديدة لموجات الراديو التي لا تدوم سوى أجزاء من الألف من الثانية ، قادمة من جميع أنحاء السماء. تم الكشف عن عدة آلاف ، ولكن تم تتبع أكثر من عشرة مجرات في موطنهم ، والتي قد تحمل أدلة على ما هو الدافع وراء هذه الانفجارات. يهدف DSA-110 إلى توطين المزيد. إذا تم الكشف عن انفجار ، فإن البيانات من أطباق الركيزة تسمح للتلسكوب بالتكبير وتثبيت FRB بمجرته.

خلال عام 2022 ، مع وجود أكثر من نصف الأطباق في مكانها بما في ذلك الركائز ، حددت DSA-110 مجرات المصدر لحوالي 20 FRBs ، متجاوزة عدد المصادر المحلية التي عثرت عليها جميع التلسكوبات الأخرى. يقول رافي ، عند اكتماله هذا الصيف ، يجب أن يوضع زوجًا من FRBs كل أسبوع. “سيكون هناك الكثير من المرح.”

النتائج حتى الآن أربكت المنظرين بالفعل. لقد توقعوا أن FRBs من المرجح أن تأتي من المجرات التي تشكل نجومًا جديدة بسرعة. تكثر مثل هذه المجرات في النجوم الضخمة التي ينفد منها وقود الاندماج بسرعة وتنهار إلى بقايا نجمية صغيرة تموج بطاقة تسمى المغناطيسية- المحركات المفضلة لتفجير FRBs. لكن DSA-110 وجد FRBs في المجرات الهادئة التي كان من الممكن أن تتلاشى نجومها المغناطيسية لفترة طويلة. هذا يشير إلى أن FRBs قد يكون لها مصادر أخرى إلى جانب المغناطيسات ، كما تقول Victoria Kaspi من جامعة McGill. هذا الأسبوع فقط في Nature Astronomy ، أبلغ الباحثون عن FRB الذي يبدو أنه جاء من اندماج نجمين نيوترونيين. يقول Kaspi: “إن وجود العديد من FRBs المترجمة أمر مهم”. “قد نكون قادرين على رؤية مجموعات مختلفة [من FRBs] من مجموعات مختلفةوفي الوقت نفسه ، يستعد فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) للمرحلة التالية: DSA-2000. على ارتفاع 19 × 15 كيلومترًا ، سيكون كبيرًا جدًا بالنسبة لوادي أوينز ، لذا يبحث الفريق في وادي هوت كريك في ولاية نيفادا ، وهي منطقة هادئة ذات كثافة سكانية منخفضة. وللحفاظ على التكاليف منخفضة ، يخطط فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لصنع أطباق خاصة به بطول 5 أمتار عن طريق قولبة صفائح من الألومنيوم. على الرغم من أن DSA-2000 لن تكون حساسة مثل المراصد الراديوية الأخرى المخطط لها ، مثل مصفوفة الكيلومتر المربع في جنوب إفريقيا وأستراليا ، إلا أنها ستتفوق عليها في سرعة المسح. يقول هالينان إن الاستطلاعات الحالية سجلت 10 ملايين مصدر إذاعي عبر السماء. سيعزز DSA-2000 هذا الرقم 100 ضعفًا إلى مليار ، مما يمنح علماء الفلك ، على سبيل المثال ، صورة أفضل لكيفية تشكل المجرات ونموها ، والسماح لهم بالتقاط مصادر عابرة مثل دمج النجوم النيوترونية على حجم أوسع بكثير.

في وقت لاحق من هذا العام ، سيتقدم الفريق بطلب إلى مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية لتكملة المصادر الخاصة التي مولت أعمال التطوير. إذا تمكن الفريق من جمع 144 مليون دولار اللازمة لبناء المصفوفة ، فيمكن أن يبدأ DSA-2000 في تسجيل عشرات الآلاف من FRBs في عام 2026. ويمكن أن يمكّن ذلك علماء الفلك من البدء في استخدام FRBs كأداة لرسم الخرائط. عندما تتحرك النبضات المدمجة عبر الفضاء ، يتم تلطيخها بالغاز الذي تمر من خلاله – مما يعطي علماء الفلك دليلًا على موقع الغاز حول وبين المجرات التي تكون عادةً غير مرئية للتلسكوبات. لا يعرف علماء الفلك مكان نصف المادة الطبيعية في الكون. يمكن أن تساعدهم FRBs في العثور عليه.

سيخصص ربع وقته للتنصت على مكون مخفي آخر للكون: الثقوب السوداء الهائلة الكامنة في مراكز المجرات بكتل الملايين أو المليارات من الشموس. عندما تندمج المجرات ، يجب أن تنتهي المجرة التي تشكلت حديثًا مع اثنين من هذه العمالقة المتثاقلة ، يدور كل منهما على الآخر بحذر ويصدر موجات ثقالية طويلة وثقيلة. اكتشفت أجهزة الكشف على الأرض موجات أقصر وأكثر حدة ناتجة عن تصادم الثقوب السوداء بحجم النجوم. لكن يستغرق الكاشف سنوات ضوئية لالتقاط هذه الموجات الطويلة. تتمثل إستراتيجية NANOGrav في مراقبة النجوم النابضة عن كثب ، وهي أحافير تدور حول النجوم تنبعث منها نبضات راديوية قياسية مئات المرات في الثانية. موجة جاذبية عابرة من شأنها أن تغير معدل تكرار النجم النابض قليلاً أثناء تموج الفضاء بين النجم النابض والأرض.

أكثر من عقد من مشاهدة العشرات من النجوم النابضة لم تظهر بعد اكتشافًا أكيدًا. لكن مع رصد DSA-2000 لعدد أكبر من النجوم النابضة ، وبشكل أكثر دقة وفي كثير من الأحيان ، قد تظهر إشارة ، كما تقول كيارا مينجاريللي ، عضوة NANOGrav من جامعة كونيتيكت ، ستورز. وهذا سيفتح “حدودًا جديدة” ، كما تقول ، وتكشف عن وجود ثقوب سوداء عملاقة تؤدي دورًا خفيًا. “سيكون DSA-2000 تحويليًا لعلم فلك الموجات الثقالية.”