در اوايل قرن هفدهم ميلادي گاليله با ساختن تلسكوپ، چشم خود را به ابزاري مسلح نمود كه ميتوانست توانايي رصد او را افزايش دهد. هر چند امروزه تلسكوپهايي به مراتب قويتر و حساستر از آنچه گاليله ساخته بود، طراحي و توليد ميشوند، اما اصل موضوع هنوز تغيير نكرده است. واقعيت اين است كه بايد نوري وجود داشته باشد تا تلسكوپ با جمعآوري و متمركز ساختن آن تصويري تهيه نمايد.
جيمز كلارك ماكسول، فيزيكدان برجسته انگليسي در قرن نوزدهم ميلادي پي به ماهيت الكترومغناطيسي بودن نور برد. در واقع امواج الكترومغناطيسي تنها به نور محدود نميشوند و طيف گستردهاي را در بر ميگيرند، اما چشم ما فقط قادر به ايجاد تصوير از محدوده خاصي از اين طيف گسترده ميباشد كه ما آن را نور ميناميم. براي مشاهده و درك ساير طول موجهاي ارسال شده به جانب ما، احتياج به ابزاري جهت جمعآوري، آناليز و آشكارسازي آنها به شكل صوت يا تصوير داريم.
امواج الكترومغناطيسي طيف بسيار وسيعي از طول موجهاي بسيار كوچك تا بسيار بزرگ را در برميگيرند. اين امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته مختلف تقسيمبندي ميكنند كه شامل امواج گاما با طول موجهايي كوچكتر از [SUP]9-[/SUP]10 سانتيمتر تا امواج راديويي با طول موج بزرگتر از 10 سانتيمتر را شامل ميشوند. همانطور كه در شكل بالا ملاحظه ميشود محدوده امواج نوري كه قابل ديدن توسط چشم انسان ميباشند، محدوده بسيار كوچكي از اين طيف گسترده است. با حركت از سمت امواج راديويي به سمت امواج گاما، همزمان با كاهش طول موج، فركانس آن و در نتيجه انرژي موج افزايش مييابد.
هنگامي كه رصد از سطح زمين انجام ميگيرد، دريافت و آشكارسازي امواج الكترومغناطيسي با مشكلي روبرو ميشود كه به اثرات جوّ غليظ زمين مربوط ميگردد. جوّ زمين تنها به محدوده امواج مرئي، مايكروويو و راديويي، آن هم با جذب و پراكنده ساختن بسيار، اجازه عبور ميدهد. از آنجاكه امواج مايكروويو بخشي از امواج راديويي محسوب ميشوند، مشاهده ميشود كه با آشكارسازي محدوده وسيع امواج راديويي گسيل شده از آسمان، راه ديگري براي رصد اجرام سماوي گشوده ميشود.
اختر شناسان از سال۱۹۳۱كه كارل جانسكي ( K.Jansky ) به طور اتفاقي راديو تلسكوپ را كشف كرد، بارها و بارها به اين نكته پيبردهاند كه جهان بسيار فراتر از آن چيزي است كه چشم انسان قادر به ديدنآن است. با استفاده از راديو تلسكوپها، آشكارسازهايمادون قرمزوماوراي بنفشو تلسكوپهاي مخصوصاشعه X و اشعه گاما جزئيات بسيار دقيقي ازكيهانآشكار شده است و معلوم شد كه كيهان مملو از اجرام عجيبي همچونسياهچالهها وتپاخترها است كه نمي توان آنها را از ورايعدسي چشمييك تلسكوپ نوري مشاهده كرد. در حقيقت هر قسمت از طيف الكترومغناطيس چيز هاي عجيب و منحصر به فردي را به اخترشناسان ارائه داده است.
ابزاري كه براي مشاهده راديويي آسمان مورد استفاده قرار ميگيرد را تلسكوپ راديويي مينامند كه از نظر ساختار كلي بسيار شبيه يك راديوي معمولي عمل ميكند، بدين معني كه همانند راديوهاي معمولي از يك آنتن، يك آمپلي فاير و يك آشكارساز تشكيل شده است. آنتنها ميتوانند از يك آنتن ساده و معمولي نيم موج دو قطبي، نظير آنچه در گيرندههاي تلويزيوني استفاده ميشود، تا آنتنهاي مجهز به بشقابهاي عظيم 300 متري باشند..
در تلسكوپهاي راديويي نيز همانند آنچه در مورد همتاي نوري آنها صادق است، بزرگ بودن سطح جمعآوري كننده امواج از دو جنبه مفيد ميباشد.
اول آنكه توان جمعآوري امواج براي رصد منابع ضعيف و يا خيلي دور افزايش مييابد و دوم اينكه توان تفكيك نسبت مستقيمي با قطر بشقاب آنتن دارد. هر چه، قدرت تفكيك تلسكوپي بيشتر باشد، توانايي آن براي جداسازي جزييات تصوير افزايش خواهد يافت. قدرت تفكيك تلسكوپها رابطه تنگاتنگي با سطح جمعآوري كننده امواج و طول موج آنها دارد. هر جه سطح جمعآوري كننده بزرگتر و طول موج امواج الكترومغناطيسي كوچكتر باشند، قدرت تفكيك تلسكوپ افزايش مييابد. مشكل تلسكوپهاي راديويي از اينجا شروع ميشود كه قدرت تفكيك يك تلسكوپ با طول موج دريافتي نسبت عكس دارد. تلسكوپهاي راديويي در مقابل همتايان نوري خود كه موظف به جمعآوري و آشكارسازي امواجي در محدوده طول موج [SUP]4-[/SUP]10 تا [SUP]5-[/SUP]10 سانتيمتر ميباشند، ميبايستي امواجي با دامنه وسيع طول موج، از يك ميليمتر تا چندين متر را جمعآوري نمايند. اين امر باعث ميشود كه توان تفكيك اين گونه از تلسكوپها به شدت كاهش پيدا كند. براي مثال قدرت تفكيك يك تلسكوپ نوري 50 سانتيمتري، 2/0 ثانيه قوسي است، در حالي كه قدرت تفكيك يك تلسكوپ راديويي به خصوص، با همين قطر دهانه 138 درجه خواهد بود. اگر بدانيم كه قرص كامل ماه در آسمان تنها 5/0 درجه قوسي است ميفهميم كه چنين تلسكوپي عملاً كارايي ندارد. چنين تلسكوپي ماه را اصلاً نميتواند ببيند.
اما از سوي ديگر و باز هم به دليل طول موجهاي متفاوتي كه اين دو گونه تلسكوپ در محدوده آنها رصد مينمايند، ساخت بشقابهاي آنتن يك راديو تلسكوپ بسيار سادهتر از ساخت يك آينه و يا عدسي است. صاف بودن سطح يك بازتاب كننده خوب، رابطه مستقيمي با طول موجِ امواجي دارد كه بايد از سطح آن بازتابيده شوند. ميتوان فرض كرد، زماني بازتاب كنندهاي مورد قبول خواهد بود كه قطر يا ضخامت هيچكدام از خُلَل و فَرجهاي روي آن از 05/0 طول موج مورد نظر بيشتر نباشد، بنابراين بشقاب آنتني كه قرار است براي امواجي به طول موج حداقل 20 سانتيمتر، ساخته شود، مجاز به داشتن ناهمواريهايي تا قطر 1 سانتيمتر است. اين مقدار ناهمواري كه براي بشقاب تلسكوپ راديويي مجاز به شمار ميرود، براي آينه يك تلسكوپ نوري فاجعه به حساب آمده و عملاً آن را غير قابل استفاده مينمايد.
بنا به دليل گفته شده است كه ميتوان راديوتلسكوپهايي با يك بشقاب 300 متري ساخت، كاري كه در مورد تلسكوپهاي نوري به يك معجزه شباهت دارد. براي اينكه مقايسهاي كرده باشيم، بد نيست بدانيد كه اگر ميشد يك تلسكوپ نوري، با آينه 300 متري ساخت، قادر بوديم ستاره شعراي يماني را به وضوح و پرنوري يك قرص ماه كامل مشاهده نماييم.
مزيت عمده استفاده از امواج راديويي براي مشاهده آسمان، اين است كه حتي در نور روز و هواي ابري نيز ميتوان رصد را ادامه داد. در طول روز پخش نور خورشيد توسط مولكولهاي گازيِ جوّ زمين باعث ميشود كه لايهاي روشن و آبي اطراف ما را احاطه كند. شدت روشنايي جوّ زمين در روز به حدي است كه از ميان آن قادر به ديدن ستارههاي كم فروغ بالاي سرمان نميشويم. تنها جرم پرنوري مانند خورشيد و يا در بعضي زمانهاي خاص، ماه نسبتاً كامل را ميتوان در طول روز رؤيت كرد. همچنين نور مرئي قادر به گذر از لايههاي ضخيم و متراكم بخار آب نميباشد. اين موضوع به طول موج كوچك نور وابسته است. هيچكدام از مواردي كه ياد شد براي امواج راديويي با طول موجهاي بزرگي كه دارند مانع و يا مزاحم شناخته نميشوند و عمليات رصد راديويي پيوسته ادامه دارد.
در مورد تلسكوپهاي راديويي بسيار عظيم، نظير راديو تلسكوپ 305 متري آرسيبو واقع در كشور پورتوريكو، يك مشكل اساسي وجود دارد و آن، اين است كه حركت دادن چنين مجموعه عظيمي براي تنظيم روي سوژه مورد نظر، غير ممكن ميباشد. از اين رو دانشمندان براي رصد يك جرم سماوي خاص، بايد آنقدر صبر كنند تا در اثر چرخش زمين به دور خودش و يا خورشيد، هدف در راستاي ديد اين بشقاب بزرگ قرار گيرد..
براي رفع اين مشكل و همچنين به دليل نياز به دستيابي به قدرت تفكيك بيشتر، روش ديگري در ساخت و استفاده از راديو تلسكوپها به وجود آمده است كه مبتني بر تداخلسنجي راديويي است.
در اين روش مجموعهاي از چند راديو تلسكوپ به نسبت كوچكتر، با كمك هدايت كنندههاي كامپيوتري در جهت خاصي تنظيم شده و سيگنالهاي دريافتي از آنها آناليز ميشود تا تصوير واحد و واضحي به دست آيد. اخترشناسان راديويي با استفاده از روش تداخلسنجي قادر به رصد آسمان با دقتي افزون بر 001/0 ثانيه قوسي هستند. در اين روش آنتنها را روي خطي كه خط مبنا ناميده ميشود، به دنبال هم نصب ميكنند. معمولا نصب آنتنها روي ريلي عمود بر خط مبنا صورت ميگيرد تا در صورت لزوم بتوان زاويه خط را نسبت به نصب مرجع تغيير داد. حال چنانچه امواج دريافتي عمود بر خط مبنا نباشند، تلسكوپها در فواصل زماني متفاوتي، موج يكساني را دريافت ميكنند.
با استفاده از الگوريتمهاي رياضي و توجه به فواصل زماني دريافت سيگنالها، ميتوان موقعيت منبع راديويي را با دقت بسيار خوبي تخمين زد. هر چه فاصله تلسكوپها از يكديگر بيشتر باشد، اختلاف زماني و در نتيجه دقت اندازهگيري افزايش خواهد يافت. در اين روش، فاصله اولين تا آخرين تلسكوپ، معادل قطر بشقاب تلسكوپ واحد در نظر گرفته ميشود.
نمونهاي از اين گونه تلسكوپها، مجموعهاي با نام "آرايه خيلي بزرگ" (VLA) ميباشد كه در نيومكزيكوي آمريكا قرار دارد و طول خط مبناي آن 36 كيلومتر است.
اين مجموعه عظيم از 27 عدد تلسكوپ با قطر بشقاب 25 متر تشكيل شده است. آنتنها روي ريلهايي قرار گرفتهاند كه به دانشمندان اجازه ميدهد بتوانند آنها را در انواع چيدمانهاي (آرایه)مختلف تنظيم نمايند.
راديوتلسكوپها همانند دستگاههاي راديويي معمولي كه در تمام منازل يافت ميشود، كار ميكنند. اما ميان اين دو وسيله، دو تفاوت عمده وجود دارد. اول امواجي كه راديوتلسكوپها مجبور به آشكار سازي آنها هستند، بسيار ضعيف بوده و دوم اینکه راديوتلسكوپها بايد تمام سيگنالهاي دريافتي را براي آناليزهاي بعدي ذخيره نمايند. از نظر ساختماني، یك راديوتلسكوپ را ميتوان به هشت قسمت اصلي و مهم زير تقسيمبندي نمود:
1. آنتن
2. پيش تقويت كننده يا آمپليفاير اوليه
3. مخلوط كننده
4. نوسان ساز
5. تقويت كننده موج متوسط يا آياِف
6. آشكارساز مجذوري
7. تقويت كننده DC
8. ابزار ضبط اطلاعات
آنتن.
در عالم الكترونيك، آنتن به سيستمي مشتمل بر سيمها و يا ساير اجسام هادي گفته ميشود كه جهت ارسال و يا دريافت امواج راديويي يا ساير طول موجهاي امواج الكترومغناطيسي به كار ميروند. اين ايده اولين بار توسط گاگليلمو ماركوني در سال 1897 ارائه شد.
در يك آنتن فرستنده، سيگنالهاي رسيده از مدار الكتريكي باعث نوسان الكترونها در آنتن ميشوند. حركت بار الكتريكي باعث توليد ميدان الكترومغناطيسي در اطراف خود شده و اين ميدان به نوبه خود امواج الكترومغناطيسي را در جهت خاصي كه به طراحي آنتن بستگي دارد پخش ميكند. براي مثال آنتن ايستگاههاي راديويي به گونهاي طراحي ميشوند تا امواج را در تمام جهات به طور يكسان پخش نمايند اما از آن سو آنتنهاي يك دستگاه رادار امواج را در جهت خاصي منتشر مينمايد.
در آنتنهاي گيرنده، مسير بر عكسي براي توليد جريان در مدار آنتن طي ميشود. ابتدا امواج الكترومغناطيسي به گونهاي باعث تحريك الكترونها ميشوند كه جريان القايي در مدار آنتن توليد ميگردد، سپس اين جريان در مدارهاي الكتريكي خاصي تقويت و ***** شده و در نهايت اطلاعات آن استخراج ميشود.
در راديو تلسكوپها و يا در تلسكوپهاي راداري، معمولا از آنتنهاي بشقابي براي دريافت امواج استفاده ميكنند. آنتن راديوتلسكوپها آشكارترين بخش آن هستند. آنها موظفند امواج راديويي فوقالعاده ضعيفي را كه از اعماق فضا به زمين ميرسد جمعآوري نمايند. اغلب اين آنتنها بسيار بزرگ هستند تا تلسكوپ قادر به نگاه دقيقتر و عميقتري به فضا باشد.
اطلاعات به دست آمده بعد از اين همه فرآيند و آناليز، بسيار ارزشمند بوده و بايد در جايي ذخيره شوند. اين اطلاعات كه معمولا ماتريس دو ستونهاي از ولتاژ بر حسب زمان هستند را در قديم توسط قلمهاي خودكار و بر روي كاغذهاي بسيار طويل به شكل نمودار ذخيره ميكردند. امروزه اين روش تقريبا منسوخ شده و اطلاعات بعد از تبديل به سيگنالهاي ديجيتال در يك كامپيوتر ذخيره و نگهداري ميشوند.
اطلاعات ذخيره شده معمولا عبارتند از ولتاژ، پله زماني دريافت، زمان دقيق ثبت اطلاعات و در نهايت دما. دماي محيط و سيستم در آناليز اطلاعات ذخيره شده بسيار مهم است چون همانطور كه تا به حال توضيح داده شد، دما نقش زيادي در توليد اغتشاشات الكتريكي دارد.حاصل نگريستن به آسمان با يك راديوتلسكوپ، عددي است كه نماينده قدرت امواج دريافتي از آن محدوده ميباشد. اگر زاويه ديد راديو تلسكوپ مورد استفاده 1 درجه باشد، با هر بار رصد مقدار عددي ولتاژي را به دست ميآوريم كه متناظر با قدرت امواج راديويي گسيل شده از آن منطقه است. حال ميتوان با چرخاندن راديوتلسكوپ و دريافت اطلاعات ساير نقاط در آن حوالي، نقشه راديويي منطقهاي از آسمان را تهيه كرد. اين نقشه راديويي، ماتريسي از اعداد است كه با توجه به زاويه ديد تلسكوپ، وسعت مشخصي از فضا را در بر ميگيرد. هر قدر زاويه ديد تلسكوپ كوچكتر باشد، قدرت تفكيك تصاوير حاصل از آن افزايش مييابد. جدول زير نمونهاي از اطلاعات ذخيره شده از آسمان را نمايش ميدهد كه ميتواند يك كهكشان دوردست باشد:
