نواحیای که با تلسکوپهای نوری معمولی قابل مشاهده نیستند. این مشاهدات شامل بررسی گاز و غبار موجود در محیط میانستارهای، قرصهای شکلگیری سیارات، و اجرامی میشود که اساساً نوری در محدوده مرئی از خود ساطع نمیکنند. اخترشناسی رادیویی به پژوهشگران این امکان را داده است که لایههای پنهان جهان را آشکار کنند و به درک عمیقتری از فرآیندهای بنیادی کیهانی برسند.
در میان ابزارهای پیشرفتهای که برای این منظور ساخته شدهاند، آرایه بزرگ میلیمتری/زیرمیلیمتری آتاکاما (ALMA) در کشور شیلی جایگاهی ویژه دارد و بهعنوان یکی از قدرتمندترین تلسکوپهای رادیویی جهان شناخته میشود. این رصدخانه عظیم که در ارتفاعات صحرای آتاکاما و در یکی از خشکترین نقاط زمین قرار گرفته، از ۶۶ آنتن سهموی تشکیل شده است که بهصورت هماهنگ با یکدیگر کار میکنند. آلما تابش میلیمتری و زیرمیلیمتری ساطعشده از ابرهای مولکولی سرد را رصد میکند؛ همان ابرهایی که زادگاه ستارگان جدید بهشمار میروند.
هر یک از آنتنهای آلما به گیرندههای فرکانس بالا مجهز شدهاند که توانایی پوشش ده بازه طول موجی مختلف را دارند؛ بازههایی که از حدود ۳۵ تا ۵۰ گیگاهرتز و همچنین از ۷۸۷ تا ۹۵۰ گیگاهرتز را شامل میشوند و در مجموع با عنوان «باند ۱» شناخته میشوند. این گیرندهها امکان ثبت سیگنالهای بسیار ضعیف و ظریف کیهانی را فراهم میکنند. با این حال، برای افزایش هرچه بیشتر دقت و حساسیت این مشاهدات، ارتقای فنی مداوم یک ضرورت اجتنابناپذیر است.
در همین راستا، با همکاری مؤسسه فیزیک حالت جامد کاربردی فرونهوفر (Fraunhofer IAF) و مؤسسه اخترشناسی رادیویی ماکس پلانک (MPIfR)، آلما بهتازگی ارتقایی مهم دریافت کرده است. در قالب این پروژه، ۱۴۵ تقویتکننده کمنویز جدید (Low-Noise Amplifiers یا LNA) به سامانههای این رصدخانه افزوده شدهاند. این تقویتکنندهها بخشی از پوشش باند ۲ آلما را تشکیل میدهند که محدوده فرکانسی ۶۷ تا ۱۱۶ گیگاهرتز از طیف الکترومغناطیسی را در بر میگیرد. افزودن این بازه فرکانسی جدید، دریچهای تازه برای مطالعه و درک بهتر جهان هستی به روی پژوهشگران میگشاید.
دانشمندان بهویژه امیدوارند که با این ارتقا بتوانند به بینشهای تازهای درباره «محیط میانستارهای سرد» دست یابند؛ محیطی پیچیده متشکل از غبار، گاز، تابش و میدانهای مغناطیسی که بستر اصلی تولد ستارگان است. بررسی دقیقتر این محیط میتواند به روشن شدن چگونگی آغاز چرخه حیات ستارهای کمک کند. افزون بر این، امکان مطالعه جزئیتر قرصهای شکلگیری سیارات فراهم میشود؛ قرصهایی از گاز و غبار که در اطراف ستارگان جوان میچرخند و در نهایت به سامانههای سیارهای تبدیل میشوند.
از سوی دیگر، این ارتقا به دانشمندان اجازه میدهد تا مولکولهای آلی پیچیده (COMs) را در کهکشانهای نزدیک با دقت بالاتری بررسی کنند. این مولکولها که از نظر شیمیایی پیچیده هستند، بهعنوان پیشسازهای بلوکهای سازنده حیات مانند DNA و RNA در نظر گرفته میشوند. مطالعه حضور و توزیع این مولکولها در فضا میتواند سرنخهای مهمی درباره منشأ حیات و شرایط لازم برای شکلگیری آن در جهان ارائه دهد. به بیان ساده، این پژوهشها به اخترشناسان و کیهانشناسان کمک میکند تا شاهد چگونگی شکلگیری و تکامل ستارگان، سیارات و حتی زمینههای پیدایش حیات باشند.
اعتبار تصویر: سیلویا مانتووانینی و تیم GLEAM-X
هر یک از تقویتکنندههای کمنویز جدید شامل مجموعهای از مدارهای مجتمع مایکروویوی یکپارچه (MMIC) است که توسط مؤسسه فرونهوفر IAF توسعه یافتهاند. این مدارها با استفاده از ماده نیمهرسانای آرسنید ایندیوم-گالیم (InGaAs) ساخته شدهاند. فناوری بهکاررفته در این MMICها بر پایه ترانزیستورهای با تحرک بالای الکترونی متامورفیک (mHEMT) است؛ فناوریای پیشرفته که امکان ساخت ترانزیستورهایی انعطافپذیر و بسیار کارآمد را برای کاربرد در گیرندههای فرکانس بالا فراهم میکند.
افزودن تقویتکنندههای کمنویز مجهز به این مدارها باعث میشود سیگنالهای بسیار ضعیف کیهانی با حداقل نویز پسزمینه تقویت شوند. در نتیجه، حساسیت گیرندههای آلما بهطور چشمگیری افزایش مییابد و این تلسکوپ قادر خواهد بود جزئیاتی را ثبت کند که پیشتر در میان نویز گم میشدند.
دکتر فابیان تومه، مدیر زیرپروژه در مؤسسه فرونهوفر IAF، در بیانیهای مطبوعاتی توضیح میدهد که عملکرد گیرندهها تا حد زیادی به کیفیت نخستین تقویتکنندههای فرکانس بالایی بستگی دارد که در مسیر سیگنال قرار میگیرند. به گفته او، فناوری توسعهیافته در این پروژه دارای دمای نویز متوسط حدود ۲۲ کلوین است؛ رقمی که در سطح جهانی بیرقیب محسوب میشود. با استفاده از تقویتکنندههای جدید، سیگنالها در همان مرحله نخست بیش از ۳۰۰ برابر تقویت میشوند. این امر به گیرندههای آلما امکان میدهد تابش میلیمتری و زیرمیلیمتری را از اعماق جهان با دقت بسیار بالاتری اندازهگیری کرده و دادههایی با کیفیت بهتر بهدست آورند. او تأکید میکند که تیم پروژه بهشدت افتخار میکند که این فناوری نقش مهمی در درک بهتر منشأ ستارگان و حتی کل کهکشانها ایفا میکند.
مؤسسه فرونهوفر IAF و مؤسسه MPIfR هر دو به سفارش رصدخانه جنوبی اروپا (ESO) مسئولیت تأمین این تقویتکنندهها را بر عهده داشتهاند. در این همکاری، فرونهوفر IAF وظیفه طراحی، ساخت و آزمایش مدارهای MMIC را در دمای محیط انجام داده است، در حالی که MPIfR مسئول مونتاژ، ارزیابی کیفی ماژولهای LNA و آزمایش آنها در شرایط برودتی (کرایوژنیک) بوده است. پروفسور دکتر مایکل کرامر، مدیر اجرایی MPIfR، این پروژه را نمونهای درخشان از همکاری علمی موفق توصیف کرده و آن را گواهی بر این دانسته است که این تقویتکنندهها نهتنها «ساخت آلمان» هستند، بلکه از نظر عملکرد در زمره بهترینهای جهان قرار دارند.
