9 دقیقه
منجمان حساس‌ترین و گسترده‌ترین تصویر رادیویی در بسامدهای پایین از کهکشان ما تا کنون را به هم دوخته‌اند و صفحهٔ کهکشان راه شیری را با «رنگ‌های رادیویی» بی‌سابقه‌ای نشان می‌دهند. این نقشه سال‌ها دادهٔ رصدی را ترکیب میکند تا محل‌هایی را که میدانهای مغناطیسی، گاز داغ و شبح‌های انفجارهای ستاره‌ای گذشته در آسمان می‌درخشند، به‌صورت پیوسته و با وضوح طیفی نشان دهد — و در نتیجه ابزار قدرتمندی برای مطالعهٔ نحوهٔ تکامل کهکشان و ساختار میان‌ستاره‌ای فراهم می‌آورد.
چگونه یک موزاییک رادیویی عظیم ساخته شد
ایجاد یک تصویر یکپارچه و منسجم از کهکشان راه شیری در بسامدهای پایین رادیویی نیازمند دو نقشه‌برداری تکمیلی بود که با آرایهٔ Murchison Widefield Array (MWA) در غرب استرالیا انجام شد. بین سال‌های 2013 تا 2015، رصد نخستین با نام GLEAM آسمان نیمکرهٔ جنوبی را در مجموعه‌ای گسترده از بسامدهای پایین اسکن کرد و نخستین دیدِ «رنگِ رادیویی» از آسمان را فراهم ساخت. پس از ارتقاء در 2018 برنامهٔ تقویت‌شدهٔ GLEAM-X وضوح و حساسیت بسیار بالاتری ارائه داد و جزئیات ظریفی را گرفت که نسخهٔ اولیه قادر به ثبت آنها نبود.
برای بهره‌گیری از نقاط قوت هر دو پروژه — پوشش پهن GLEAM و جزئیات دقیق GLEAM-X — پژوهشگران از روش پردازشی جدیدی به نام image domain gridding استفاده کردند. این روش هزاران مشاهدۀ مستقل را با هم تراز و روی هم انباشته میکند تا یک موزاییک عظیم شکل گیرد. از آنجایی که آرایه در زمان‌های مختلف رصد کرده بود، تیم مجبور شد اعوجاج‌های یونوسفری (جهش‌های کوچک در مسیر سیگنال ناشی از لایه‌های بالای جو زمین) را تصحیح کند تا از جابه‌جایی و اشتباه قرار گرفتن منابع بین شبهای مختلف جلوگیری کند. تصحیحات یونوسفری شامل مدل‌سازی تغییرات فاز وابسته به زمان و موقعیت و استفاده از منابع مرجع در آسمان برای اصلاح مقیاس‌های فضایی بود.
این تصحیحات و فرایند موزاییک‌سازی نیازمند توان محاسباتی بسیار بالا بود. تیم بیش از یک میلیون ساعت پردازشی را روی سیستم‌های مرکز ابررایانشی Pawsey اجرا کرد تا تصویری پیوسته تولید شود که ۹۵٪ از کهکشان راه شیری قابل‌مشاهده از نیمکرهٔ جنوبی را دربر می‌گیرد و بسامدها را از ۷۲ تا ۲۳۱ مگاهرتز پوشش میدهد. چنین پردازش‌هایی شامل کالیبراسیون دقیق، حذف نویز زمینی، مدل‌سازی الگوی پرتو (beam) و ترکیب طیفی برای ساخت نقشههای فیلترشده و تصاویر با پهنای باندهای متعدد بود؛ کارهایی که برای دستیابی به پویایی داینامیک بالا و نگهداری اطلاعات طیفی حیاتی‌اند.
صفحهٔ کهکشان راه شیری در نور رادیویی
علاوه بر پردازش‌های اصلی، تیم به روش‌های ویژه‌ای برای مدیریت فورمولاسیون دادههای طیفی و فشرده‌سازی اطلاعاتِ حجیم متوسل شد تا نارسایی‌های ذخیره‌سازی و انتقال داده کاهش یابد. ترکیب مشاهدات چندساله نیازمند ارزیابی پایداری بینابینی (inter-epoch stability) و همبستگی بین کانال‌های فرکانسی بود تا نقشهٔ نهایی از نظر فوتومتری و طیفی قابل‌اعتماد باشد. برای بسیاری از اهداف علمی، مانند تعیین اندیس طیفی (spectral index) پدیده‌ها یا جداسازی انتشار ترمال و غیرترمال، پایداری طیفی و اطمینان از همترازی دقیق تصاویر در کانال‌های مختلف اهمیت کلیدی دارد.
معنای رنگ‌ها — خواندن کهکشان در نور رادیویی
نقشه فرکانس را به‌صورت رنگ کدگذاری کرده است: پایین‌ترین بسامدها به رنگ نارنجی، باندهای میانی به سبز و بالاترین باندهای پایین‌فرکانسی به آبی نمایش داده میشوند. این «رنگ رادیویی» تفکیک فرایندهای فیزیکی مختلف را در یک نگاه ساده‌تر میکند. سازه‌های پهن که با نور نارنجی می‌درخشند معمولاً انتشار سینکروترون را ردیابی می‌کنند — ذرات بارداری که در میدانهای مغناطیسی مارپیچ می‌زنند — که غالباً نشانهٔ بازماندههای قدیمی و رو به خاموشی ابرنواخترها است. نواحی آبی‌رنگ نشان‌دهندهٔ انتشار در بسامدهای بالاتر از گاز یونیدهٔ داغ است و اغلب محل‌های فعال تشکیل ستاره و گهواره‌های ستاره‌ای جوان را مشخص میکند.
از آنجا که موزاییک گسترهٔ پهن‌تری از بسامدها را در بر می‌گیرد، منجمان می‌توانند انتشار ترمال (از گاز داغ) و انتشار غیرترمال (از پرتوهای کیهانی و میدانهای مغناطیسی) را با اطمینان بیشتری از هم تفکیک کنند نسبت به نقشه‌هایی که تنها در یک بسامد کار می‌کنند. این جداسازی برای ساخت مدل‌های فیزیکی محیط میان‌ستاره‌ای، اندازه‌گیری ساختار میدان مغناطیسی، و یافتن بازماندههای کمنور و قدیمی ابرنواختر که پیش‌تر دیده نشده بودند، ضروری است. علاوه بر این، وجود اطلاعات چندباندی امکان محاسبۀ اندیس طیفی، نقشه‌برداری چرخش فاراده (Faraday rotation) و تحلیل قطبش (polarization) را فراهم می‌آورد که هر کدام پنجره‌های علمی جدیدی دربارهٔ میدانهای مغناطیسی کهکشان و پراکندگی الکترون‌ها باز می‌کنند.
علمی که نقشهٔ جدید باز میکند
این موزاییک هم‌اکنون گنجینه‌ای برای علم کهکشانی فراهم کرده است. پژوهشگران اکنون می‌توانند:
- بازماندههای کمنور و باستانی ابرنواختر را شناسایی کنند که تاریخ مرگ ستارگان در کهکشان راه شیری را آشکار می‌سازد و به تعیین نرخ‌های ابرنواکتر و تکامل جمعیت ستاره‌ای کمک میکند.
- توزیع و انرژی پرتوهای کیهانی را ردیابی کنند در حالی که این ذرات در دیسک کهکشان حرکت می‌کنند؛ این داده‌ها برای مدل‌سازی انتقال انرژی و تأثیر پرتوهای کیهانی بر گاز میان‌ستاره‌ای حیاتی‌اند.
- الگوهای میدان مغناطیسی را در سطوح وسیع صفحهٔ کهکشان نگاشت کنند و درک ما را از آشفتگی مغناطیسی (magnetised turbulence) بهبود بخشند، موضوعی که نقش مهمی در فرایندهای شکل‌دهی ساختار و تشکیل ستاره دارد.
- تعامل بین گرد و غبار، گاز و ذرات پرانرژی را در نواحی تشکیل ستاره مطالعه کنند، از جمله چگونگی تأثیر تابش ریزامواج رادیویی بر خنک‌شدن پلاسما و جمع‌شدن مواد برای شکل‌گیری ستاره‌های جدید.
کوتاه آنکه، این موزاییک پایهٔ مشاهداتی قدرتمندی برای بسیاری از مطالعه‌های پیگیر فراهم می‌آورد — از رصدهای عمیق هدفمند روی ویژگی‌های عجیب و متمایز تا تحلیل‌های آماری جمعیت‌ها در سراسر صفحهٔ کهکشان. پژوهشگران می‌توانند با استفاده از نقشههای طیفی و اطلاعات قطبی، رصدهای چندموجی (multiwavelength) را نیز همسو کنند تا بینش دقیق‌تری دربارۀ فیزیک فرآیندها به‌دست آورند. همچنین داده‌ها برای مقایسه با شبیه‌سازی‌های مغناطیسی-هیدرودینامیکی (MHD) و مدل‌های انتشار پرتوهای کیهانی بسیار ارزشمند خواهند بود.
از MWA تا SKA-Low: چه چیزی در پیش است
اگرچه موزاییک جدید ترکیبی GLEAM+GLEAM-X حساس‌ترین نقشه در این بسامدهای پایین تا امروز است، جهش بسیار بزرگ‌تری در راه است. مولفهٔ کم‌فرکانس آرایهٔ کیلومتر مربعی (Square Kilometre Array) یا SKA-Low، پس از تکمیل، هزاران برابر حساس‌تر خواهد بود و وضوح فضایی بسیار بالاتری نسبت به MWA ارائه میدهد. SKA-Low با پوشش گستردهٔ فرکانسی، چگالی عناصر جمع‌آوری‌کنندهٔ سیگنال بیشتر و معماری پردازشی پیشرفته، قابلیت مشاهدهٔ ساختارهای ضعیف و پراکنده را در سطحی فراهم میکند که امروز تنها پیش‌نمایشی از آن را می‌بینیم.
تا زمان ورود SKA-Low، این موزاییک به‌عنوان پیش‌نمایشی از سازه‌های ضعیف، پخشی و پیچیده‌ای عمل میکند که ابزارهای آینده با جزئیات بسیار بیشتر بررسی خواهند کرد. علاوه بر این، تجربیات فنی کسب‌شده در پروژهٔ GLEAM و GLEAM-X — شامل مدیریت تأثیرات یونوسفر، تکنیک‌های کالیبراسیون پیچیده، و ترکیب تصاویر حجیم — دیدگاه‌های کاربردی به تیم‌های SKA خواهد داد و زنجیرهٔ پردازشی را برای نسل بعدی رادیوآسترونومی پالایش میکند.
دیدگاه کارشناسان
«این نقشه یک نقطهٔ عطف است،» دکتر النا تورس، رادیو-منجم که در تیم اصلی حضور نداشت، می‌گوید. «ترکیب پوشش پهنِ منطقه‌ای با اطلاعات رنگی چندفرکانسی نحوهٔ اولویت‌بندی مطالعات پیگیری را تغییر میدهد. با این مجموعهٔ داده می‌توانیم ویژگی‌های ظریف را انتخاب کنیم — جرقه‌های در حال خاموشی ابرنواخترها یا رشته‌های غیرمنتظرهٔ میدانهای مغناطیسی — و پرسش‌های جدیدی دربارهٔ چرخهٔ زندگی کهکشان راه شیری مطرح کنیم.»
فراتر از کشف صرف، موزاییک روش‌ها را برای مدیریت اثرات یونوسفر، کالیبراسیون و ترکیب عظیم تصاویر بهینه میکند — روش‌هایی که برای پردازش دادههای عصر SKA ضروری خواهند بود. به عبارت دیگر، دانشمندان نه تنها یک نقشه به‌دست آورده‌اند، بلکه ابزارهای موردنیاز برای ژنراسیون بعدی رادیوآسترونومی را نیز تیز کرده‌اند. این پیشرفت فنی شامل الگوریتم‌های بهبود یافتهٔ حذف منابع متغیر، مدل‌سازی دقیق پرتو و تکنیک‌های تصحیح فاز وابسته به جهت است که به کیفیت نهاییِ محصولات علمی کمک میکند.
زمینهٔ فنی و دسترسی عمومی
موزاییک بازهٔ فرکانسی ۷۲–۲۳۱ مگاهرتز را پوشش میدهد و داده‌ها را از ۴٬۰۹۶ آنتن MWA که در چندین کیلومتر مربع پراکنده شده‌اند، یکپارچه می‌سازد. تکنیک image domain gridding و همترازی دقیق یونوسفری اجازه داد که مشاهداتی که در طول چندین سال گرفته شده‌اند به‌صورت یکپارچه روی هم قرار گیرند. محصولات نهایی در اختیار جامعهٔ علمی قرار می‌گیرند تا منجمان سراسر جهان بتوانند از این داده‌ها برای استخراج اجسام خاص و انجام رصدهای آماری بهره ببرند.
جزئیات فنی شامل مشخصهٔ حساسیت سطحی، رزولوشن زاویه‌ای در بسامدهای مختلف، و نحوهٔ مدیریت پارامترهای طیفی و قطبی است؛ اطلاعاتی که برای برنامهریزی رصدهای چندموجی و تطبیق با نقشههای فروسرخ، اشعهٔ X و گاما حیاتی‌اند. آرشیوهای داده شامل تصاویر کانالی، نقشههای اندیس طیفی، و محصولات کالیبرهشده خواهند بود که امکان تحلیل دقیق آماری و سرچِ ساختارهای ضعیف را فراهم می‌آورند.
برای اکنون، این موزاییک رادیویی روشی قدرتمند و نوین برای «دیدن» کهکشان ما فراهم می‌آورد — نه با نور مرئی ستارگان، بلکه در تابش الکترون‌ها، میدانهای مغناطیسی و بازماندههای انفجارهای ستاره‌ای. این دعوتی است برای کاوش صورت‌های فلکی آشنا در نوری کاملاً متفاوت و برای طراحی رصدهای آینده که رازهای آشکار و پنهان کهکشان راه شیری را روشن‌تر خواهند کرد.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_ایکس
خوبه، اما حس میکنم تیتر اغراق‌آمیزه؛ SKA واقعا بازی رو عوض میکنه، این صرفا پیش‌نمایشه و باید محتاط بود.
آسمانپیک
همینطوری کار کردم روی دادههای رادیویی، می‌دونم چقدر دردسر داره جمع‌کردن و همترازی، تحسین میکنم تیم رو، واقعا
مهران
این همه پردازش و تصحیح یونوسفری خوبه ولی آیا اثرات سیستماتیک کاملا حذف شدن؟ نگرانم از خطاها...
روادکس
وااای، این تصاویر رادیویی مثل نقشهٔ جدیدی از کهکشانن! حس میکنم یه پنجره‌ی تازه باز شد، شگفت‌زده‌م 🤯
ارسال نظر