6 แหล่งกำเนิดของคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุมีต้นกำเนิดมาจากฟ้าผ่า (10-100kHz, กำลังไฟฟ้าสูงสุด 1GW), การลุกจ้าของดวงอาทิตย์ (การปะทุที่ 1GHz แตะระดับ 10¹⁵W), เสาสัญญาณโทรศัพท์มือถือ (800MHz-2.6GHz, กำลังขับ 10-40W), เรดาร์ตรวจอากาศ (X-band 8-12GHz, พัลส์ความแรง 1MW), เราเตอร์ Wi-Fi (2.4GHz, 0.1-1W) และการแผ่รังสีความร้อน (ความร้อนจากร่างกายแผ่ออกมาประมาณ ~0.001W/m² ที่ 10GHz)

ดวงอาทิตย์และกิจกรรมของดวงอาทิตย์

เมื่อเรานึกถึงดวงอาทิตย์ เรามักจะนึกถึงแสงสว่างที่มองเห็นได้ซึ่งเดินทางมาถึงโลกในเวลาประมาณ 8 นาที 20 วินาที ข้ามระยะห่าง 150 ล้านกิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ดวงอาทิตย์ยังเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุขนาดมหึมาและไม่หยุดนิ่ง การแผ่คลื่นวิทยุนี้ไม่ใช่เสียงฮัมเบาๆ ที่คงที่ แต่เป็นการแพร่ภาพที่เปลี่ยนแปลงไปตามกิจกรรมทางแม่เหล็กบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ ซึ่งมีรอบวงจรประมาณ 11 ปี ในช่วงที่มีกิจกรรมสูง การส่งคลื่นวิทยุของดวงอาทิตย์สามารถเพิ่มขึ้นอย่างมาก บางครั้งอาจเพิ่มขึ้นหลายเท่าตัว จนกลายเป็นสถานีวิทยุธรรมชาติที่นักดาราศาสตร์ต้องเฝ้าติดตามอยู่ตลอดเวลา ฟลักซ์คลื่นวิทยุจากดวงอาทิตย์นี้มีความสำคัญมากจนต้องมีการวัดค่าทุกวันที่ความถี่มาตรฐาน 2800 MHz (ความยาวคลื่น 10.7 ซม.) ซึ่งเป็นดัชนีชี้วัดระดับกิจกรรมของดวงอาทิตย์ที่สามารถส่งผลกระทบต่อบรรยากาศชั้นบนของโลกได้

กลไกหลักสำหรับการแผ่คลื่นวิทยุที่คงที่ของดวงอาทิตย์คือการแผ่รังสีความร้อนจากชั้นบรรยากาศที่ร้อนจัดของมัน หรือที่เรียกว่า คอโรนา ซึ่งมีอุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 1 ถึง 2 ล้านองศาเซลเซียส ความถี่ของการปะทุของคลื่นวิทยุเหล่านี้บอกเล่าเรื่องราวที่แม่นยำ: การปะทุความถี่สูง (เช่น 5000 MHz) มีต้นกำเนิดจากชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์ในระดับต่ำ ในขณะที่การปะทุความถี่ต่ำ (เช่น 50 MHz) เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่แพร่กระจายออกมาด้านนอกผ่านชั้นคอโรนา

กล้องโทรทรรศน์วิทยุภาคพื้นดิน เช่น หอดูดาวแสงอาทิตย์เลียร์มอนธ์ในออสเตรเลีย และเครื่องมือในเครือข่าย e-Callisto จะสแกนดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องในสเปกตรัมความถี่ที่กว้าง ตั้งแต่ต่ำกว่า 20 MHz ไปจนถึงมากกว่า 8000 MHz การเฝ้าติดตามนี้ให้ข้อมูลกิจกรรมของดวงอาทิตย์แบบใกล้เคียงเวลาจริง ฟลักซ์สูงสุด ของการปะทุคลื่นวิทยุ วัดในหน่วย Solar Flux Units (1 SFU = 10^-22 วัตต์ต่อตารางเมตรต่อเฮิรตซ์) เป็นตัวแทนโดยตรงของความรุนแรงของเหตุการณ์ การปะทุที่แตะระดับ 10,000 SFU หรือมากกว่าที่ความถี่หลักของการสื่อสารผ่านดาวเทียม เช่น 1-2 GHz สามารถทำให้การสื่อสารวิทยุความถี่สูง (HF) ฝั่งที่โดนแสงแดดของโลกเสื่อมถอยลงอย่างมากหรือเกิด ไฟฟ้าดับสนิท เป็นเวลาตั้งแต่ ไม่กี่นาทีจนถึงกว่าหนึ่งชั่วโมง

สัญญาณทีวี วิทยุ และโทรศัพท์

มหาสมุทรของสัญญาณวิทยุที่มนุษย์สร้างขึ้นนี้ครอบคลุมทุกอย่าง ตั้งแต่วิทยุ FM อนาล็อกแบบดั้งเดิมที่ส่งในย่านความถี่ประมาณ 100 MHz ไปจนถึงการแพร่ภาพโทรทัศน์ระบบดิจิทัลที่ 500-800 MHz และเครือข่ายเซลลูลาร์ที่หนาแน่นซึ่งเชื่อมต่อสมาร์ทโฟนหลายพันล้านเครื่อง สมาร์ทโฟนสมัยใหม่เครื่องเดียวอาจสื่อสารโดยใช้ความถี่วิทยุตั้งแต่ 700 MHz สำหรับการครอบคลุมระยะไกล ไปจนถึง 3.5 GHz สำหรับข้อมูล 5G ความเร็วสูง และแม้กระทั่งสูงถึง 6 GHz สำหรับ Wi-Fi กำลังการแผ่รังสีรวมจากแหล่งกำเนิดเหล่านี้เป็นที่น่าตกตะลึง; เสาส่งสัญญาณโทรทัศน์ขนาดใหญ่สามารถส่งด้วยกำลังไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพถึง 1,000,000 วัตต์ ในขณะที่สถานีฐานขนาดเล็กอาจทำงานที่เพียง 10 วัตต์ แตกต่างจากแหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ สัญญาณเหล่านี้ถูกวิศวกรรมมาเพื่อความชัดเจนและประสิทธิภาพ โดยใช้รูปแบบการมอดูเลตเฉพาะเช่น QAM-256 เพื่อบรรจุข้อมูลมากกว่า 30 เมกะบิตต่อวินาที ลงในช่องโทรทัศน์ที่กว้าง 6 MHz

เครื่องส่งสัญญาณจะสร้างคลื่นไซน์ความถี่สูงที่บริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น ความถี่ 94.5 MHz สำหรับสถานีวิทยุ FM ข้อมูลไม่ว่าจะเป็นรูปคลื่นอนาล็อกของเสียงหรือกระแสข้อมูลดิจิทัล จะถูกนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนแปลงคลื่นพาหะนี้ ในการมอดูเลตความถี่ (FM) คลื่นเสียงจะทำให้ความถี่ของพาหะเปลี่ยนไปเล็กน้อย โดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ ±75 kHz สิ่งนี้ทำให้ FM ทนทานต่อเสียงรบกวนได้ดี ในทางตรงกันข้าม การมอดูเลตแอมพลิจูด (AM) ที่ใช้ในย่าน 530 kHz ถึง 1700 kHz จะเปลี่ยนกำลังไฟฟ้าหรือความสูงของคลื่นพาหะ สถานี AM ขนาด 50 kW สามารถครอบคลุมพื้นที่กว้างขวาง โดยเฉพาะในตอนกลางคืน เนื่องจากคลื่นที่ยาวกว่าเหล่านี้สะท้อนกับชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ สัญญาณดิจิทัลมีความซับซ้อนมากกว่า สำหรับสัญญาณ 4G LTE ข้อมูลจะถูกแบ่งเป็นแพ็กเก็ตและส่งโดยใช้รูปแบบที่เรียกว่า Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ซึ่งแบ่งข้อมูลไปยังพาหะย่อยจำนวนมากที่วางชิดกัน แต่ละตัวกว้างเพียง 15 kHz ช่วยให้ส่งความเร็วได้เกิน 100 Mbps อย่างเสถียรแม้จะมีการสะท้อนของสัญญาณและเสียงรบกวนก็ตาม

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเสาส่งสัญญาณทีวีและโทรศัพท์มือถือไม่ใช่แค่เรื่องกำลังส่ง แต่เป็นทิศทาง เสาทีวีตั้งเป้าที่จะครอบคลุมรัศมี 50-100 กิโลเมตร ด้วยสัญญาณรอบทิศทาง ในขณะที่เซลล์ 5G ใช้การสร้างลำคลื่นขั้นสูง (beamforming) เพื่อรวมกระแสข้อมูลให้พุ่งตรงไปยังอุปกรณ์ของคุณ เหมือนไฟสปอร์ตไลท์แทนที่จะเป็นไฟสาดกระจาย

ในทางกลับกัน เครือข่ายเซลลูลาร์เป็นโครงข่ายหนาแน่นของการสนทนาสองทางที่ใช้พลังงานต่ำ แมคโครเซลล์บนหอคอยอาจครอบคลุมรัศมี 1-3 กิโลเมตร ด้วยกำลังขับ 20-40 วัตต์ ต่อภาคสายอากาศ ในขณะที่สมอลเซลล์บนเสาไฟอาจครอบคลุมเพียง 100 เมตร ด้วยกำลังเพียง 1-2 วัตต์ ความหนาแน่นนี้จำเป็นเพราะความจุข้อมูลถูกแบ่งปันในหมู่ผู้ใช้ในเซลล์ ยิ่งคุณอยู่ใกล้เสาอากาศมากเท่าไหร่ สัญญาณของคุณก็จะยิ่งแรงขึ้นและอัตราข้อมูลที่เป็นไปได้ก็จะยิ่งสูงขึ้น สิ่งนี้วัดโดยอัตราส่วนสัญญาณต่อการรบกวนและสัญญาณแทรกสอด (SINR) ในหน่วยเดซิเบล (dB) ค่า SINR ที่ดีเยี่ยม เช่น 20 dB ช่วยให้สามารถใช้การมอดูเลตลำดับสูงอย่าง 1024-QAM ซึ่งเข้ารหัสข้อมูล 10 บิต ต่อสัญลักษณ์การส่งข้อมูล ค่า SINR ที่แย่ต่ำกว่า 0 dB อาจบังคับให้ถอยกลับไปใช้รูปแบบที่ทนทานกว่าแต่ช้ากว่าอย่าง QPSK ซึ่งรับข้อมูลได้เพียง 2 บิต ต่อสัญลักษณ์ การปรับเปลี่ยนแบบไดนามิกนี้เกิดขึ้นหลายพันครั้งต่อวินาทีเพื่อให้การเชื่อมต่อคงอยู่ขณะที่คุณเคลื่อนที่ ต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานนั้นสูงมาก โดยไซต์แมคโครเซลล์เพียงแห่งเดียวมีค่าติดตั้งระหว่าง 150,000 ถึง 300,000 ดอลลาร์ และตัววิทยุเองมีอายุการใช้งานปกติ 8 ถึง 10 ปี ก่อนที่จะได้รับการอัปเกรดเป็นมาตรฐานเทคโนโลยีถัดไป

การสร้างภาพทางการแพทย์ด้วย MRI

การสแกน MRI ทางคลินิกทั่วไปอาจใช้ความเข้มสนามแม่เหล็กหลักที่ 1.5 หรือ 3.0 เทสลา (T) ซึ่งแรงกว่าสนามแม่เหล็กโลก 30,000 ถึง 60,000 เท่า ภายในสนามแม่เหล็กนี้ นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (ส่วนใหญ่ในโมเลกุลน้ำและไขมัน) จะทำตัวเหมือนแม่เหล็กจิ๋ว กุญแจสำคัญของ MRI คือการส่งพัลส์ RF เฉพาะ ซึ่งปกติจะอยู่ในช่วง MHz ซึ่งเป็นความถี่ที่แม่นยำที่จำเป็นในการทำให้นิวเคลียสไฮโดรเจนเหล่านี้สั่นพ้อง สำหรับเครื่องสแกน 1.5T ความถี่ลาร์มอร์ (Larmor frequency) นี้จะอยู่ที่ประมาณ 64 MHz ขณะที่เครื่อง 3.0T จะเพิ่มเป็นสองเท่าที่ประมาณ 128 MHz ระยะเวลาและกำลังของพัลส์ RF เหล่านี้ถูกควบคุมอย่างระมัดระวัง โดยมักจะกินเวลาเพียงไม่กี่ มิลลิวินาที ด้วย มุมพลิก (flip angle) เฉพาะ (เช่น 90 องศา) เพื่อหมุนการเรียงตัวของอะตอม กระบวนการสร้างภาพทั้งหมดสำหรับหนึ่งเซสชันการวินิจฉัย ซึ่งอาจรวมลำดับภาพที่แตกต่างกัน 20 ถึง 30 ลำดับ อาจใช้เวลาตั้งแต่ 15 ถึง 45 นาที ขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่สแกนและความละเอียดที่ต้องการ

T1 (การผ่อนคลายแบบสปิน-แลตทิซ) ซึ่งโดยปกติจะอยู่ในช่วง 300 ถึง 2000 มิลลิวินาที สำหรับเนื้อเยื่อต่างๆ และ T2 (การผ่อนคลายแบบสปิน-สปิน) ซึ่งเร็วกว่า โดยอยู่ในช่วง 50 ถึง 150 มิลลิวินาที ด้วยการปรับพารามิเตอร์เวลา—โดยเฉพาะเวลาการทำซ้ำ (TR) และเวลาการสะท้อน (TE)—เครื่องสามารถสร้างภาพที่ให้น้ำหนักเพื่อเน้นคุณสมบัติของเนื้อเยื่อที่แตกต่างกันได้ ตัวอย่างเช่น ภาพถ่วงน้ำหนัก T1 อาจใช้ TR 500 ms และ TE 10 ms ขณะที่ภาพถ่วงน้ำหนัก T2 จะใช้ TR นานขึ้นที่ 3000 ms และ TE 100 ms ข้อมูลดิบจากสัญญาณเหล่านี้จะถูกรวบรวมในโดเมนที่เรียกว่า “k-space” และกระบวนการทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า การแปลงฟูริเยร์ (Fourier transform) จะเปลี่ยนข้อมูลนี้ให้เป็นภาพที่มองเห็นได้ซึ่งประกอบด้วย 256×256 หรือ 512×512 พิกเซล โดยมีความละเอียดเชิงพื้นที่ในระดับ 1x1x3 มิลลิเมตร

แม่เหล็กตัวนำยิ่งยอดซึ่งหล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลวจนถึงอุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส (4 เคลวิน) จะรักษาสนามแม่เหล็กไว้ได้โดยมีความต้านทานไฟฟ้าเกือบเป็นศูนย์ ขดลวดเกรเดียนต์ (gradient coils) ซึ่งเปลี่ยนสนามแม่เหล็กเพียงเล็กน้อยเพื่อระบุตำแหน่งสัญญาณ สามารถสลับเปิดปิดได้หลายพันครั้งต่อวินาที ทำให้เกิดระดับเสียงดังถึง 110 เดซิเบล ซึ่งเป็นสาเหตุที่ผู้ป่วยต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันการได้ยิน ต้นทุนของเทคโนโลยีนี้สูงมาก: เครื่องสแกน MRI 3.0T เครื่องเดียวมีราคาซื้ออยู่ที่ 1 ล้านถึง 2.3 ล้านดอลลาร์ พร้อมค่าบำรุงรักษาและค่าดำเนินการรายปีอีก 50,000 ถึง 150,000 ดอลลาร์ ซอฟต์แวร์ของระบบใช้อัลกอริทึมที่ซับซ้อนเพื่อแก้ไขการเคลื่อนไหวเล็กน้อยของผู้ป่วยด้วยความแม่นยำน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร เพื่อให้มั่นใจในความถูกต้องในการวินิจฉัย คลื่นวิทยุที่ใช้เป็นชนิดไม่ก่อไอออนและถือว่าปลอดภัย แต่อัตราการดูดซับเฉพาะ (SAR) ซึ่งเป็นการวัดพลังงาน RF ที่สะสมในร่างกาย จะถูกจำกัดอย่างเคร่งครัดโดยหน่วยงานกำกับดูแลที่สูงสุด 4 วัตต์ต่อกิโลกรัม เฉลี่ยทั่วร่างกายเป็นเวลา 15 นาที เพื่อป้องกันความร้อนในเนื้อเยื่อ

เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านและ Wi-Fi

แหล่งกำเนิดที่แพร่หลายที่สุดคือเราเตอร์ Wi-Fi ซึ่งทำงานหลักๆ ในย่านความถี่วิทยุ 2.4 GHz และ 5 GHz โดยเราเตอร์รุ่นใหม่ๆ ได้เพิ่มย่าน 6 GHz เข้ามา เราเตอร์ Wi-Fi มาตรฐาน IEEE 802.11ac ทั่วไปอาจส่งด้วยกำลังไฟประมาณ 100 มิลลิวัตต์ (0.1 วัตต์) ต่อสายอากาศ ซึ่งเป็นเพียงเศษเสี้ยวของกำลังส่งของโทรศัพท์มือถือ สัญญาณเหล่านี้ส่งข้อมูลโดยใช้ Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) โดยแบ่งข้อมูลไปยังพาหะย่อย 52 ถึง 1024 ตัว เพื่อให้ได้ความเร็วทางทฤษฎีสูงถึง 9.6 Gbps ภายใต้มาตรฐาน Wi-Fi 6E ล่าสุด แต่ Wi-Fi เป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น บ้านอัจฉริยะสมัยใหม่อาจมีอุปกรณ์ที่ปล่อยคลื่นวิทยุมากกว่า 20 ชิ้น รวมถึงอุปกรณ์เสริม Bluetooth อย่างหูฟังและลำโพง (ซึ่งใช้ 79 ช่องสัญญาณในย่าน 2.4 GHz), ฮับบ้านอัจฉริยะที่ใช้โปรโตคอลอย่าง Zigbee และ Z-Wave (ที่ 908 MHz ในสหรัฐฯ) และแม้แต่อุปกรณ์พื้นฐานอย่างเซ็นเซอร์ความปลอดภัยไร้สาย เครื่องเปิดประตูโรงรถ และเตาไมโครเวฟ ซึ่งอย่างหลังอาจมีรังสีรั่วไหลออกมาเล็กน้อยที่ประมาณ 2450 MHz

สัญญาณในย่าน 2.4 GHz มีความยาวคลื่นที่ยาวกว่าประมาณ 12.5 เซนติเมตร ซึ่งช่วยให้ทะลุผ่านผนังและพื้นได้ดีกว่าความถี่ที่สูงกว่า แต่ย่านนี้ก็แออัดไปด้วยอุปกรณ์มากมายทำให้เกิดการติดขัด ย่าน 5 GHz ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าคือ 6 เซนติเมตร มีช่องสัญญาณที่ว่างมากกว่า—โดยปกติมี 25 ช่องที่ไม่ซ้อนทับกัน เมื่อเทียบกับเพียง 3 ช่องใน 2.4 GHz—ซึ่งช่วยลดสัญญาณรบกวนและรองรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้น แต่ระยะส่งจะ สั้นกว่าประมาณ 15-20% และถูกขวางโดยสิ่งกีดขวางได้ง่ายกว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความแรงของสัญญาณและอัตราข้อมูลไม่ได้เป็นเส้นตรง แต่เป็นลอการิทึม วัดเป็นเดซิเบลเทียบกับมิลลิวัตต์ (dBm) สัญญาณที่แรง -40 dBm เมื่อวัดใกล้เราเตอร์จะช่วยให้ใช้การมอดูเลตลำดับสูงสุดได้ เช่น 1024-QAM ทำให้ได้ความเร็วสูงสุด เมื่ออยู่ในระยะไกลด้วยความแรงสัญญาณ -70 dBm การเชื่อมต่ออาจหล่นลงไปใช้การมอดูเลตที่ทนทานกว่าแต่ช้ากว่าอย่าง 16-QAM ซึ่งจะลดอัตราข้อมูลที่ทำได้ลงมากกว่า ครึ่งหนึ่ง

ขณะที่เราเตอร์ Wi-Fi ถูกออกแบบมาเพื่อการสื่อสารดิจิทัลสองทาง เตาไมโครเวฟคือเครื่องกำเนิด RF ทิศทางเดียวที่ทรงพลัง มันปล่อยพลังงานออกมาประมาณ 1000 วัตต์ ที่ 2.45 GHz—ซึ่งมากกว่าเราเตอร์ Wi-Fi ถึง 10,000 เท่า—ภายในกล่องโลหะที่ปิดสนิทเพื่อสั่นสะเทือนโมเลกุลน้ำ การรั่วไหลเพียงเล็กน้อยที่กฎหมายอนุญาตให้ไม่เกิน 5 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ที่ระยะ 5 เซนติเมตร ก็เพียงพอที่จะรบกวนย่าน Wi-Fi 2.4 GHz ได้ชั่วขณะสำหรับอุปกรณ์ที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียง

อุปกรณ์ใดๆ ที่มีไมโครโปรเซสเซอร์หรืออุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เช่น Variable Frequency Drive (VFD) ในตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศสมัยใหม่ สามารถสร้างสัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) สเปกตรัมกว้างได้ เสียงรบกวนทางไฟฟ้านี้มักจะมีพลังงานต่ำมากในระดับ นาโนวัตต์ถึงไมโครวัตต์ แต่มันอาจเป็นย่านกว้างซึ่งสร้างมลพิษให้กับความถี่หลายช่วง แหล่งจ่ายไฟของ หลอดไฟ LED ที่ออกแบบมาไม่ดีสามารถสร้างเสียงรบกวนในช่วงสเปกตรัม 500 kHz ถึง 30 MHz ซึ่งอาจขัดขวางการรับวิทยุ AM ผลรวมของอุปกรณ์ที่ปล่อยพลังงานต่ำหลายสิบเครื่องเหล่านี้สามารถลดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) สำหรับเครื่องรับที่ไวต่อสัญญาณ เพื่อต่อสู้กับสิ่งนี้ กฎระเบียบอย่าง FCC Part 15 ในสหรัฐฯ จึงได้กำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดสำหรับการแผ่รังสีที่ไม่ได้ตั้งใจ

ดาวและกาแล็กซีอันไกลโพ้น

จักรวาลเต็มไปด้วยพื้นหลังของคลื่นวิทยุที่แผ่วเบาซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากภายนอกกาแล็กซีทางช้างเผือก เสียงซ่าจากจักรวาลนี้ถูกค้นพบโดย Karl Jansky ในปี 1932 เป็นสัญญาณสะสมจากกาแล็กซีหลายพันล้านแห่ง ซึ่งแต่ละแห่งแผ่คลื่นวิทยุออกมาผ่านกระบวนการทางฟิสิกส์ต่างๆ แตกต่างจากสัญญาณที่ทรงพลังและมีเป้าหมายจากโลก การแผ่รังสีนี้อ่อนกำลังมาก พลังงานวิทยุรวมที่ได้รับจากแหล่งกำเนิดนอกกาแล็กซีทั้งหมดนั้นอ่อนกว่าเสียงรบกวนจากวิทยุที่เกิดจากดวงอาทิตย์ของเราเองประมาณ หนึ่งล้านเท่า ในการตรวจจับสัญญาณเหล่านี้ นักดาราศาสตร์จึงต้องใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดมหึมา เช่น กล้อง FAST ขนาด 500 เมตร ในจีน หรืออาเรย์ของจานรับสัญญาณหลายจาน เช่น อาเรย์ ALMA 66 เสาอากาศ ซึ่งสามารถให้ความละเอียดเทียบเท่ากับกล้องโทรทรรศน์เดี่ยวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 16 กิโลเมตร การศึกษาแหล่งกำเนิดวิทยุอันไกลโพ้นเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถทำแผนที่โครงสร้างของจักรวาล สังเกตเหตุการณ์รุนแรงอย่างการรวมตัวของหลุมดำ และมองย้อนเวลากลับไปหลายพันล้านปี เนื่องจากคลื่นวิทยุจากกาแล็กซีที่ไกลที่สุดได้เดินทางมานานกว่า 1.3 หมื่นล้านปี กว่าจะมาถึงเรา

การแผ่คลื่นวิทยุจากกาแล็กซีอันไกลโพ้นเกิดขึ้นจากกลไกหลักหลายประการ ซึ่งแต่ละอย่างมีลักษณะการสังเกตที่ชัดเจน:

• รังสีซิงโครตรอน (Synchrotron Radiation): นี่คือแหล่งกำเนิดที่พบบ่อยที่สุด เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนพลังงานสูงซึ่งมักจะถูกเร่งความเร็วให้มากกว่า 99% ของความเร็วแสง โดยซากซูเปอร์โนวาหรือนิวเคลียสกาแล็กซีกัมมันต์ เคลื่อนที่เป็นเกลียวรอบสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มตั้งแต่ 0.1 ถึง 10 นาโนเทสลา กระบวนการนี้สร้างสเปกตรัมของคลื่นวิทยุที่กว้างและต่อเนื่อง ซากซูเปอร์โนวาเพียงแห่งเดียวอย่าง Cassiopeia A ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 11,000 ปีแสง และมีอายุ 300 ปี (ตามที่สังเกตได้) จะแผ่ฟลักซ์วิทยุประมาณ 3000 Jansky ที่ความถี่ 1 GHz
• การแผ่รังสีความร้อน (วัตถุดำ): ก๊าซไอออนไนซ์ที่ร้อนจัดซึ่งมีอุณหภูมิระหว่าง 10,000 ถึง 1,000,000 เคลวิน รอบพื้นที่ก่อตัวของดาวฤกษ์จะแผ่คลื่นวิทยุออกมาผ่านกระบวนการทางความร้อน ความหนาแน่นของฟลักซ์จากการแผ่รังสีนี้จะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความถี่ที่สังเกตได้ ช่วยให้นักดาราศาสตร์แยกแยะรังสีนี้ออกจากรังสีซิงโครตรอนที่ไม่ใช่ความร้อนซึ่งจะลดลงตามความถี่ได้ พื้นที่ HII ขนาดใหญ่ในกาแล็กซีอันไกลโพ้นอาจมีความสว่างวิทยุความร้อนประมาณ 10^20 วัตต์ต่อเฮิรตซ์
• การแผ่รังสีแบบเส้นสเปกตรัม: อะตอมและโมเลกุลในพื้นที่ระหว่างดาวจะแผ่หรือดูดซับคลื่นวิทยุที่ความถี่ที่แม่นยำและเป็นควอนตัม ที่สำคัญที่สุดคือ เส้น 21 ซม. (ความถี่ 1420.405752 MHz) จากอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลาง เส้นนี้ถูกใช้เพื่อทำแผนที่การกระจายและการเคลื่อนที่ของก๊าซไฮโดรเจนในกาแล็กซี ความเร็วในการหมุนของก๊าซที่ระยะห่าง 50,000 ปีแสง จากศูนย์กลางกาแล็กซีสามารถวัดได้ด้วยความแม่นยำ ไม่กี่กิโลเมตรต่อวินาที โดยการสังเกตปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler shift) ของเส้นสเปกตรัมนี้

นิวเคลียสกาแล็กซีกัมมันต์ (AGN) ซึ่งขับเคลื่อนโดยหลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีมวลตั้งแต่ ล้านถึงพันล้านเท่า ของดวงอาทิตย์ของเรา เป็นแหล่งกำเนิดวิทยุที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาล พูวิทยุ (radio lobes) ของ AGN ที่สว่างจ้า เช่น กาแล็กซี Cygnus A ซึ่งอยู่ห่างออกไป 500 ล้านปีแสง สามารถทอดตัวยาวถึง 300,000 ปีแสง และมีความสว่างวิทยุรวมประมาณ 10^38 วัตต์ ซึ่งทรงพลังกว่าเรดาร์บนโลกที่แข็งแกร่งที่สุดถึง หนึ่งล้านล้านเท่า

ฟ้าผ่าในชั้นบรรยากาศ

การเกิดฟ้าผ่าเพียงครั้งเดียวเกี่ยวข้องกับความต่างศักย์ มากกว่า 100 ล้านโวลต์ ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถเกิน 30,000 แอมแปร์ และทำให้ช่องอากาศร้อนขึ้นถึงประมาณ 30,000 องศาเซลเซียส ในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที การปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลอย่างกะทันหันนี้แผ่รังสีออกมาได้อย่างมีประสิทธิภาพในสเปกตรัมความถี่วิทยุที่กว้างมาก การแผ่คลื่นวิทยุจากฟ้าผ่าแบบเมฆสู่ดินทั่วไปในระยะ 50 กิโลเมตร สามารถตรวจจับได้ตั้งแต่ความถี่ต่ำมาก (VLF, 3-30 kHz) ไปจนถึงความถี่สูงยิ่ง (UHF, 300 MHz ถึง 3 GHz) พลังงานที่แผ่ออกมาส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ในย่าน VLF และ LF (ความถี่ต่ำ, 30-300 kHz)

ฟิสิกส์ของการคายประจุฟ้าผ่าทำให้เกิดลำดับของพัลส์วิทยุ:

• ช่วงไหลกลับ (Return Stroke): นี่คือเหตุการณ์วิทยุที่สว่างและดังที่สุด โดยสร้างแรงกระตุ้นแอมพลิจูดสูงในย่านที่กว้าง กระแสไฟฟ้าสูงสุดเริ่มต้นซึ่งเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็นมากกว่า 20,000 แอมแปร์ ในเวลาไม่ถึง 10 ไมโครวินาที คือตัวการหลักของการแผ่คลื่นวิทยุที่แรงที่สุด
• ผู้นำ (Leaders): ผู้นำแบบขั้นบันไดเริ่มต้นที่พุ่งจากเมฆลงสู่ดินด้วยความเร็วประมาณ 2 x 10^5 เมตรต่อวินาที จะสร้างเสียงซ่าต่อเนื่องที่เรียกว่าพัลส์ “preliminary breakdown” ซึ่งตรวจจับได้ในย่าน HF (3-30 MHz)
• สเฟอริกส์ (Sferics): เป็นคำเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสั้นๆ ที่เกิดจากการคายประจุฟ้าผ่า สเฟอริกส์จากฟ้าผ่าในบริเวณใกล้เคียงสามารถแพร่กระจายไปได้หลายพันกิโลเมตรโดยการสะท้อนระหว่างพื้นผิวโลกและชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์

ความยาวของช่องเสาอากาศนี้อาจแปรผันตั้งแต่ ไม่กี่ร้อยเมตร สำหรับการคายประจุภายในเมฆ ไปจนถึงกว่า 5 กิโลเมตร สำหรับการผ่าจากเมฆลงสู่ดิน พัลส์วิทยุที่เกิดขึ้นมีระยะเวลาสั้นมาก มักจะน้อยกว่า 100 ไมโครวินาที ซึ่งสอดคล้องกับแบนด์วิดท์ที่กว้างมาก ความเข้มของสนามไฟฟ้าของคลื่นวิทยุที่วัดได้ที่ระยะห่าง 100 กิโลเมตร สามารถสูงถึง 10 โวลต์ต่อเมตร สำหรับฟ้าผ่าที่รุนแรง สัญญาณนี้แพร่กระจายผ่านท่อนำคลื่นโลก-ไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งเป็นช่องว่างระหว่างพื้นดินและชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ที่ระดับความสูง 60 ถึง 90 กิโลเมตร ช่วยให้สามารถตรวจจับได้โดยเครื่องรับ VLF เฉพาะทางที่ระยะห่างเกินกว่า 10,000 กิโลเมตร