إن التداخل الراديوي من الأقمار الصناعية يهدد علم الفلك – فالمنطقة المقترحة لاختبار التقنيات الجديدة يمكن أن تحل المشكلة

الضوء المرئي هو جزء واحد فقط من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يستخدمه علماء الفلك لدراسة الكون. تم بناء تلسكوب جيمس ويب الفضائي لرؤية ضوء الأشعة تحت الحمراء ، والتلسكوبات الفضائية الأخرى تلتقط صور الأشعة السينية ، والمراصد مثل تلسكوب جرين بانك ، والمصفوفة الكبيرة جدًا ، ومصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية ، وعشرات المراصد الأخرى حول العالم تعمل في الراديو أطوال موجية.

تواجه التلسكوبات الراديوية مشكلة. تستخدم جميع الأقمار الصناعية ، مهما كانت وظيفتها ، موجات الراديو لنقل المعلومات إلى سطح الأرض. مثلما يمكن للتلوث الضوئي أن يخفي سماء الليل المرصعة بالنجوم ، يمكن للإرسال اللاسلكي أن يغمر موجات الراديو التي يستخدمها علماء الفلك للتعرف على الثقوب السوداء ، وتشكيل النجوم حديثًا وتطور المجرات.

نحن ثلاثة علماء يعملون في علم الفلك والتكنولوجيا اللاسلكية. مع توقع دخول عشرات الآلاف من الأقمار الصناعية إلى المدار في السنوات القادمة وزيادة استخدامها على الأرض ، فإن الطيف الراديوي يزداد ازدحامًا. مناطق الهدوء الراديوي – المناطق ، التي تقع عادةً في المناطق النائية ، حيث تكون عمليات الإرسال الراديوية الأرضية محدودة أو محظورة – تتمتع بحماية علم الفلك الراديوي في الماضي.

مع استمرار مشكلة التلوث الراديوي في الازدياد ، سيحتاج العلماء والمهندسون وصناع القرار إلى معرفة كيف يمكن للجميع مشاركة النطاق المحدود للترددات الراديوية بشكل فعال. أحد الحلول التي عملنا عليها خلال السنوات القليلة الماضية هو إنشاء منشأة حيث يمكن للفلكيين والمهندسين اختبار تقنيات جديدة لمنع التداخل الراديوي من حجب سماء الليل.

علم الفلك مع موجات الراديو

الموجات الراديوية هي الأطول الموجية المنبعثة على الطيف الكهرومغناطيسي ، مما يعني أن المسافة بين قمتين للموجة متباعدة نسبيًا. تجمع التلسكوبات الراديوية موجات الراديو بأطوال موجية من مليمتر إلى أطوال موجية مترية.

حتى لو لم تكن معتادًا على التلسكوبات الراديوية ، فمن المحتمل أنك سمعت عن بعض الأبحاث التي يقومون بها. تم إنتاج الصور الأولى الرائعة لأقراص التراكم حول الثقوب السوداء بواسطة Event Horizon Telescope. هذا التلسكوب عبارة عن شبكة عالمية من ثمانية تلسكوبات راديوية ، ويقع كل من التلسكوبات الفردية التي تشكل تلسكوب أفق الحدث في مكان به تداخل ضئيل للغاية في التردد اللاسلكي: منطقة هادئة لاسلكية.

المنطقة الهادئة الراديوية هي منطقة يُطلب فيها من أجهزة الإرسال الأرضية ، مثل أبراج الهواتف المحمولة ، خفض مستويات طاقتها حتى لا تؤثر على معدات الراديو الحساسة. لدى الولايات المتحدة منطقتان من هذا القبيل. أكبرها هي منطقة الراديو الوطنية الهادئة ، والتي تغطي 13000 ميل مربع (34000 كيلومتر مربع) معظمها في فيرجينيا الغربية وفيرجينيا. يحتوي على مرصد جرين بانك. الآخر ، موقع Table Mountain Field و Radio Quiet Zone ، في كولورادو ، يدعم البحث الذي يقوم به عدد من الوكالات الفيدرالية.

مناطق هادئة لاسلكية مماثلة هي موطن للتلسكوبات في أستراليا وجنوب إفريقيا والصين.

طفرة الأقمار الصناعية

في 4 أكتوبر 1957 ، أطلق الاتحاد السوفيتي سبوتنيك في المدار. بينما كان القمر الصناعي الصغير يدور حول الكرة الأرضية ، تمكن هواة الراديو الهواة في جميع أنحاء العالم من التقاط إشارات الراديو التي كان يبثها إلى الأرض. منذ تلك الرحلة التاريخية ، أصبحت الإشارات اللاسلكية جزءًا من كل جانب من جوانب الحياة الحديثة تقريبًا – من الملاحة الجوية إلى شبكة Wi-Fi – وتزايد عدد الأقمار الصناعية بشكل كبير.

كلما زاد عدد الإرسالات اللاسلكية ، زادت صعوبة التعامل مع التداخل في مناطق الهدوء الراديوي. لا تحمي القوانين الحالية هذه المناطق من أجهزة إرسال الأقمار الصناعية ، والتي يمكن أن يكون لها آثار مدمرة. في أحد الأمثلة ، حجبت عمليات الإرسال من ساتل إيريديوم تمامًا ملاحظات نجم خافت تم إجراؤه في نطاق محمي مخصص لعلم الفلك الراديوي.

ستطير شبكات الإنترنت عبر الأقمار الصناعية مثل Starlink و OneWeb وغيرهما في النهاية فوق كل موقع على الأرض وتنقل موجات الراديو إلى السطح. قريبًا ، لن يكون أي موقع هادئًا حقًا لعلم الفلك الراديوي.

تدخل في السماء وعلى الأرض

مشكلة التداخل اللاسلكي ليست جديدة.

في الثمانينيات من القرن الماضي ، بدأ النظام الروسي العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية – وهو في الأساس إصدار الاتحاد السوفيتي لنظام تحديد المواقع العالمي – في الإرسال بتردد كان محميًا رسميًا لعلم الفلك الراديوي. أوصى الباحثون بعدد من الإصلاحات لهذا التداخل. بحلول الوقت الذي وافق فيه مشغلو نظام الملاحة الروسي على تغيير تردد إرسال الأقمار الصناعية ، كان قد حدث الكثير من الضرر بالفعل بسبب نقص الاختبار والاتصال.

تنظر العديد من الأقمار الصناعية إلى الأرض باستخدام أجزاء من الطيف الراديوي لرصد خصائص مثل رطوبة التربة السطحية التي تعتبر مهمة للتنبؤ بالطقس وأبحاث المناخ. الترددات التي يعتمدون عليها محمية بموجب الاتفاقيات الدولية ولكنها أيضًا مهددة من التداخل اللاسلكي.

أظهرت دراسة حديثة أن جزءًا كبيرًا من قياسات رطوبة التربة لدى وكالة ناسا يتعرض للتداخل من أنظمة الرادار الأرضية والإلكترونيات الاستهلاكية. هناك أنظمة قائمة لرصد التداخل وحسابه ، ولكن تجنب المشكلة تمامًا من خلال الاتصالات الدولية والاختبار المسبق سيكون خيارًا أفضل لعلم الفلك.

حلول الطيف الراديوي المزدحم

مع استمرار ازدحام الطيف الراديوي ، سيتعين على المستخدمين المشاركة. يمكن أن يشمل ذلك المشاركة في الوقت أو الفضاء أو التردد. بغض النظر عن التفاصيل ، يجب اختبار الحلول في بيئة محكومة. هناك بوادر مبكرة على التعاون. أعلنت مؤسسة العلوم الوطنية و SpaceX مؤخرًا عن اتفاقية تنسيق في علم الفلك لصالح علم الفلك الراديوي.

من خلال العمل مع علماء الفلك والمهندسين والبرمجيات والمتخصصين في اللاسلكي ، وبدعم من National Science Foundation ، كنا نقود سلسلة من ورش العمل لتطوير ما يمكن أن توفره المنطقة الديناميكية الراديوية الوطنية. ستكون هذه المنطقة مماثلة لمناطق الهدوء الراديوية الحالية ، وتغطي مساحة كبيرة مع قيود على الإرسال اللاسلكي في مكان قريب. على عكس المنطقة الهادئة ، سيتم تجهيز المنشأة بشاشات طيف حساسة تسمح للفلكيين وشركات الأقمار الصناعية ومطوري التكنولوجيا باختبار أجهزة الاستقبال وأجهزة الإرسال معًا على نطاقات كبيرة. سيكون الهدف هو دعم الاستخدامات الإبداعية والتعاونية للطيف الراديوي. على سبيل المثال ، يمكن لمنطقة تم إنشاؤها بالقرب من تلسكوب راديوي اختبار المخططات لتوفير وصول نطاق ترددي أوسع للاستخدامات النشطة ، مثل الأبراج الخلوية ، والاستخدامات السلبية ، مثل التلسكوبات الراديوية.

للحصول على ورقة بحثية جديدة نشرها فريقنا للتو ، تحدثنا مع المستخدمين والمنظمين للطيف الراديوي ، بدءًا من علماء الفلك الراديوي إلى مشغلي الأقمار الصناعية. وجدنا أن معظمهم اتفقوا على أن المنطقة الديناميكية الراديوية يمكن أن تساعد في حل ، وربما تجنب ، العديد من مشكلات التداخل الحرجة في العقود القادمة.

هذه المنطقة غير موجودة حتى الآن ، لكن فريقنا والعديد من الأشخاص في جميع أنحاء الولايات المتحدة يعملون على تحسين المفهوم بحيث يمكن لعلم الفلك الراديوي والأقمار الصناعية لاستشعار الأرض والأنظمة اللاسلكية الحكومية والتجارية إيجاد طرق لمشاركة المورد الطبيعي الثمين الذي هو الطيف الراديوي.