عين الكركند ، وأجهزة الاستشعار تحت الجليد والتلسكوب السائل: ما هي الأدوات التي يستخدمها علماء الفيزياء الفلكية

ألهمت الخصائص غير العادية لأجنحة الحشرات العلماء لإنشاء عبوات مضادة للبكتيريا. والأنوف

وتم إخبار الحيوانات بكيفية صنع أقنعة تحمي من العدوى، ولكنها لا تتداخل مع التنفس الطبيعي. لم يقف علماء الفيزياء الفلكية جانبًا ويستمدون أفكارًا من العالم من حولهم.

المرصد الفلكي الوطنيقدمت الأكاديمية الصينية للعلوم مؤخرًا الدفعة الأولى في العالم من خرائط السماء بالأشعة السينية ذات الزاوية العريضة التي تم التقاطها باستخدام Lobster Eye Imager for Astronomy (LEIA). تم إنشاء الجهاز من خلال دراسة ومحاكاة خصائص النظام البصري لجراد البحر البحري.

صورة بفاصل زمني مدتها 800 ثانية لرصد LEIA بالأشعة السينية لمركز مجرة ​​درب التبانة متراكبة على بيانات من مهمة Gaia. الصورة: CAS / ESA / Gaia / DPAC

كيف تعمل عين لوبستر؟

اكتشف علماء الأحياء منذ فترة طويلة أن عيون جراد البحرتختلف عن الحيوانات الأخرى. يتكون النظام البصري لهذه القشريات من العديد من الأنابيب المربعة الصغيرة الموجهة إلى نفس المركز الكروي. يسمح هذا الهيكل للضوء القادم من اتجاهات مختلفة أن ينعكس في الأنابيب ويتجمع على شبكية العين ، مما يمنح الكركند مجالًا واسعًا للرؤية.

أعضاء الرؤية عند الإنسان وتتكون منتعمل القضبان والمخاريط المنحنية على انكسار الضوء، وتركيز الصورة على شبكية العين. تعكس عين جراد البحر أشعة الضوء التي تدخل بزوايا قياسية ضحلة جدًا ("زوايا الرعي"). النظام المنسق يوجه  جميع الأشعة تنعكس من جسم معين (مثل الفريسة المحتملة في قاع المحيط) إلى نفس النقطة البؤرية.

قبل عدة عقود ، اقترح العلماءمحاكاة عين جراد البحر لإنشاء تلسكوب لاكتشاف الأشعة السينية في الفضاء. لكن هذه الفكرة لم تتحقق لفترة طويلة ، حتى جعلت تقنيات المعالجات الدقيقة تقليد أعضاء الرؤية ممكنًا.

مختبر التصوير بالأشعة السينية NAOCبدأت البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا التصوير بالأشعة السينية لعين جراد البحر في عام 2010 وقدمت الجهاز النهائي بعد 10 سنوات.

الجهاز يتكون من 36 "عيون جراد البحر" معmicropores و 4 مستشعرات CMOS ذات مصفوفة كبيرة يمكنها العمل بدقة طيفية عالية. لاحظ الباحثون أن هذه هي المستشعرات الأولى التي تم تصنيعها باستخدام تقنية CMOS (تقنية أشباه الموصلات - وهي بنية مكملة لأكسيد المعادن وأشباه الموصلات).

وفقا للعلماء، الأشعة السينية السابقةوكان للتلسكوبات مجال رؤية بحجم القمر كما يُرى من الأرض، في حين أن هذا التلسكوب الكركند قادر على تغطية مساحة سماوية تبلغ حوالي ألف قمر. 

خلال الإطلاق الأول، تم تنفيذ وحدة الاختبار فيالمساحة 8 دقائق فقط . سيتضمن التلسكوب الكامل 12 وحدة من هذا القبيل. وسيتم نشر النظام على القمر الصناعي آينشتاين بروب، والذي تخطط السلطات الصينية لإطلاقه في نهاية عام 2023. 

رسم توضيحي فني للقمر الصناعي المسبار أينشتاين. الصورة: CAS

تلسكوبات مرايا سائلة

يوجد في جميع أنحاء العالم العديد من الأجهزة غير العادية المصممة لمراقبة السماء. على سبيل المثال، اكتسب مفهوم التلسكوبات ذات المرايا السائلة شعبية في العقود الأخيرة.

هذه الأجهزة لها فترة طويلة ، ولكنتاريخ مثير للجدل في علم الفلك. منذ أكثر من 300 عام ، لاحظ إسحاق نيوتن أن السائل في وعاء دوار يمكن أن يتخذ شكل القطع المكافئ - أي أن مثل هذا السطح يجب أن يكون في مرآة التلسكوب من أجل تركيز الضوء عند نقطة واحدة. في عام 1850 ، طور عالم الفلك الإيطالي إرنستو كابوتشي هذه الفكرة ، لكنه لم يتمكن من بناء نموذج عملي.

لبقية هذا العقدأجرى عالم الفلك هنري سكاي في لندن بحثًا مستقلًا عن هذا المفهوم وجرب إنشاءه. هاجر إلى نيوزيلندا في عام 1860 ونشر حسابًا لتلسكوب المرآة السائلة عام 1872. في النصف الأول من القرن العشرين ، حاول العلماء تحسين التصميم ، لكن جميع الأجهزة اتسمت بالدقة المنخفضة وعانت من الاهتزازات.

مع تطور التكنولوجيا لإنشاء كبيرةلقد فقدت المرايا ذات الحالة الصلبة والتلسكوبات ذات المرايا السائلة شعبيتها. حتى الثمانينيات، بدأ العلماء في إحياء هذه التكنولوجيا، والقضاء على عيوبها بمساعدة التكنولوجيا الحديثة. وفي الفترة من 1994 إلى 2002، استخدمت وكالة ناسا تلسكوبًا مرآتيًا سائلًا بطول 3 أمتار لمسح مدار الأرض بحثًا عن الحطام الفضائي.

تلسكوب مع مرآة سائلة. الصورة: مكتب برنامج الحطام المداري التابع لناسا ، المجال العام ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

تستخدم الأجهزة الحديثة سائلًا لامعًاالزئبق لجمع الضوء وتركيزه. هذا المعدن عاكس للغاية ويظل سائلاً في درجة حرارة الغرفة. وهي أرخص بكثير من المرايا الزجاجية باهظة الثمن. 

تلميع المرايا بشكل مكافئ -مهمة شاقة ومكلفة. تبلغ التكلفة الإجمالية لتلسكوب الزئبق السائل حوالي 2 مليون دولار ، في حين أن تلسكوب مرآة صلبة بحجم مماثل يمكن أن يكلف مئات الملايين من الدولارات.

منذ شكل التلسكوب المرآة السائلةاعتمادًا على الجاذبية، يمكنه فقط أن يشير بشكل مستقيم إلى السمت. لكن هذا ليس عيبًا كبيرًا كما قد يبدو، نظرًا لأن "أعلى نقطة" تتحرك عبر سماء الليل جنبًا إلى جنب مع دوران الأرض.

أكبر تلسكوب حديث بمثل هذاالمرآة - التلسكوب الكبير المضاد للطائرات - تم تشغيله في كندا ، بالقرب من فانكوفر من 2003 إلى 2016. تم إيقاف تشغيلها الآن ، وتم تفكيك المرآة التي يبلغ ارتفاعها 6 أمتار. من المفترض أن يتم استخدام أجزاء من تصميمه في الأجهزة الجديدة. بالإضافة إلى ذلك ، في نهاية عام 2022 ، من المقرر أن يتم تشغيل تلسكوب المرآة السائلة الدولي في مرتفعات الهند.

تلسكوب ذروة كبير. الصورة: جامعة كولومبيا البريطانية

مصفوفة راديو للبحث عن ذكاء خارج الأرض

مصفوفة تلسكوب ألين (ATA) هي الأولىتلسكوب لاسلكي مصمم من الألف إلى الياء للاستخدام في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض. قبل إنشائها ، كانت جميع الجهود المبذولة في مجال الكشف عن آثار الحضارات الأخرى في النطاق الراديوي تعتمد على الاستخدام الدوري للهوائيات المصممة لعمليات الرصد الفلكي العادية.

مجموعة تتكون من 42 حواجز شبكية لـتم بناء الملاحظات الراديوية (أطباق قطرها 6.1 مترًا) في عام 2007 بالقرب من سان فرانسيسكو على حساب المؤسس المشارك لشركة Microsoft Paul Allen والمدير التقني السابق لشركة تكنولوجيا المعلومات العملاقة Nathan Myhrvold. في البداية ، كان من المفترض أن التلسكوب سيتكون من 350 هوائيًا ، ولكن حتى الآن لا توجد أموال كافية لنظام كامل.

فكرة التلسكوب هي مجموعة صغيرة نسبيًاأطباق (هوائيات) ذات موقع شبه عشوائي على الأرض ، وتمتد لنحو كيلومتر واحد. يوفر هذا التصميم شكل شعاع عالي الجودة. هذا هو اسم منطقة السماء ، للإشارات التي يكون التلسكوب منها أكثر حساسية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العدد الكبير نسبيًا من الهوائيات يقلل من الحساسية (غير المرغوب فيها) خارج الحزمة الرئيسية.

كانت مصفوفة تلسكوب ألين في الأصلمصممة لتغطية الترددات من 500 إلى 10000 ميجاهرتز ، ولكن يتم ترقيتها حاليًا لتوسيع نطاق التغطية إلى 15 جيجاهرتز ، وتحسين الحساسية والموثوقية.

يستخدم تصميم الهوائيات الإزاحةالنظام الغريغوري. تعكس المرآة الثانوية الإشارات الراديوية الواردة التي تم جمعها بواسطة العاكس الأساسي الكبير (قطره 6.1 م) إلى الهوائي (مخفي عن الأنظار بواسطة غطاء من القماش) ، حيث يتم تضخيمها ونقلها للتحكم في المباني عبر الألياف البصرية. تم تطوير برنامج خاص للتلسكوب ، والذي يتيح لك التخلص من كل الحطام والتداخل والتركيز على الإشارات المرتبطة بالحياة.

مصفوفة تلسكوب ألين. الصورة: معهد SETI

مرصد الجليد للبحث عن النيوترينو

تم إطلاق مرصد IceCube للنيوترينو في2010 - أول كاشف من نوعه مصمم لرصد الفضاء من الجليد في القطب الجنوبي. تم بناؤه في محطة Amundsen-Scott في أنتاركتيكا. توجد الآلاف من أجهزة الاستشعار الخاصة بها تحت الجليد في أبرد قارة ، وتغطي مساحة إجمالية قدرها 1 كيلومتر مكعب.

المرصد يبحث عن شبه ذرية عديمة الكتلةالجسيمات هي نيوترينوات. تساعد هذه الجسيمات عالية الطاقة في دراسة أخطر الأحداث الفيزيائية الفلكية: الانفجارات النجمية ، انفجارات أشعة جاما ، والكوارث التي تنطوي على الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.

يتكون المرصد من 86 كابلاً ، كل منهاالذي يحتوي على 60 وحدة بصرية رقمية. تحتوي هذه الأجهزة على كاشفات ضوئية حساسة للغاية أو مضاعفات ضوئية ، بالإضافة إلى أجهزة كمبيوتر صغيرة تنقل البيانات إلى السطح. يتم توصيل الوحدات بكابلات على عمق 1450 إلى 2450 مترًا تحت الجليد.

يقع المرصد في منطقة شفافة بصرياالجليد ، وهو مستقر للغاية. يقدر العلماء أن الجليد في القطب الجنوبي يتحرك حوالي 10 أمتار سنويًا كقطعة واحدة. يسجل IceCube يوميًا 275 مليون شعاع كوني وحوالي 275 نيوترينوات في الغلاف الجوي.

معمل IceCube. الصورة: إيان ريس ، IceCube / NSF

قراءة المزيد:

تم عرض تسرب الغاز من نورد ستريم من الفضاء

تم العثور على هياكل غير عادية على حافة النظام الشمسي. لم يكن هناك سوى فويجرز.

شاهد كيف اقترب كوكب المشتري والقمر في سماء الليل