Allen Telescope Array е потенциално способен да открие силен радиосигнал от Proxima b или друга звездна система с достатъчно силни радиопредавания. Той успешно работи съвместно с други радиотелескопи през изключително дълги базови линии, за да разреши хоризонта на събитията на черна дупка: вероятно е нейното короноване. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Попитайте Итън: Как действа телескопът на хоризонта на събитието като едно гигантско огледало?

Той е съставен от множество телескопи в много различни обекти по света. Но той действа като един гигантски телескоп. Ето как.

Ако искате да наблюдавате Вселената по-дълбоко и с по-висока разделителна способност от всякога, има една тактика, за която всички са съгласни, че е идеална: изградете колкото е възможно по-голям телескоп. Но изображението с най-висока разделителна способност, което някога сме конструирали в астрономията, не идва от най-големия телескоп, а от огромен масив със скромни размери телескопи: телескопът Event Horizon. Как е възможно това? Това иска да разбере нашия въпросник Ask Ethan за тази седмица, Дитер, заявявайки:

Затруднявам се да разбера защо масивът EHT се счита за ЕДИН телескоп (който има диаметър на земята).
Когато считате EHT за ЕДИН радио телескоп, разбирам, че ъгловата резолюция е много висока поради дължината на вълната на входящия сигнал и земния диаметър. Също така разбирам, че синхронизирането на времето е от решаващо значение.
Но много би помогнало да се обясни защо диаметърът на EHT се счита за ЕДИН телескоп, като се има предвид, че в масива има около 10 индивидуални телескопа.

Конструирането на изображение на черната дупка в центъра на M87 е едно от най-забележителните постижения, които някога сме правили. Ето какво направи това възможно.

Отношението на разстоянието на яркостта и как потокът от източник на светлина отпада като един над квадратното разстояние. Земята има температурата, която прави поради разстоянието си от Слънцето, което определя колко енергия на единица площ се случва на нашата планета. Далечните звезди или галактики имат видимата яркост, която правят поради тази връзка, която се изисква от енергоспестяването. Обърнете внимание, че светлината също се разпространява в зоната, когато напуска източника. (Е. СИГЕЛ / СЛЕД ГАЛАКСИЯТА)

Първото нещо, което трябва да разберете е как работи светлината. Когато имате някакъв светоизлъчващ обект във Вселената, светлината, която излъчва, ще се разпространи в сфера при напускане на източника. Ако всичко, което имахте, беше фотодетектор, който беше една-единствена точка, пак бихте могли да откриете този далечен, излъчващ светлина обект.

Но вие не бихте могли да го разрешите.

Когато светлина (т.е. фотон) удари вашия точков детектор, можете да регистрирате, че светлината е пристигнала; можете да измерите енергията и дължината на вълната на светлината; можете да знаете от каква посока идва светлината. Но не бихте могли да знаете нищо за физическите свойства на този обект. Не бихте знаели нейния размер, форма, физическа степен или дали различните части са различни цветове или яркости. Това е така, защото получавате информация само в една точка.

Мъглявината NGC 246 е по-известна като Мъглявина Череп, поради наличието на двете си светещи очи. Централното око всъщност е двойка двоични звезди, а по-малката, по-слаба е отговорна за самата мъглявина, тъй като тя издухва от външните си слоеве. Той е само на 1600 светлинни години в съзвездието на Цетус. Разглеждането на това като повече от един обект изисква способността за разрешаване на тези характеристики, в зависимост от размера на телескопа и броя на дължините на вълната на светлината, които се поберат върху неговото основно огледало. (ГЕМИНИ ЮГО ГМОС, ТРАВИЗ РЕКТОР (UNIV. ALASKA))

Какво би било необходимо да знаете дали гледате на една единствена светлинна точка, като звезда като нашето Слънце, или множество светлинни точки, както бихте намерили в двоична звездна система? За това е необходимо да получавате светлина в множество точки. Вместо точков детектор, бихте могли да имате детектор, подобен на чиния, като основното огледало на отразяващ телескоп.

Когато светлината влезе, тя вече не удря точка, а по-скоро област. Светлината, която се разпространи в сфера, сега се отразява от огледалото и се фокусира до точка. А светлината, която идва от два различни източника, дори ако са близо една до друга, ще бъде фокусирана към две различни места.

Всеки отразяващ телескоп се основава на принципа на отразяване на входящите светлинни лъчи чрез голямо първично огледало, което фокусира светлината до точка, където след това тя се разгражда на данни и записва или се използва за конструиране на изображение. Тази специфична диаграма илюстрира светлинните пътеки за телескопна система на Хершел-Ломоносов. Обърнете внимание, че два отделни източника ще насочат светлината си към две отделни места (синя и зелена пътека), но само ако телескопът има достатъчни възможности. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ EUDJINNIUS)

Ако вашето огледало за телескоп е достатъчно голямо в сравнение с разделянето на двата обекта и оптиката ви е достатъчно добра, ще можете да ги разрешите. Ако изградите устройството си правилно, ще можете да кажете, че има няколко обекта. Двата източника на светлина изглежда ще се различават един от друг. Технически има връзка между три количества:

  • ъгловата резолюция, която можете да постигнете,
  • диаметърът на вашето огледало,
  • и дължината на вълната на светлината, която търсите.

Ако вашите източници са по-близо един до друг, или вашето огледало за телескоп е по-малко или изглеждате, че използвате по-дълга вълна на светлината, става все по-трудно да разрешите каквото и да гледате. Затруднява решаването на това дали има няколко обекта или не, или дали обектът, който разглеждате, има ярки и тъмни функции. Ако вашата резолюция е недостатъчна, всичко изглежда като нищо повече от размито, нерешено единично петно.

Границите на разделителна способност се определят от три фактора: диаметърът на вашия телескоп, дължината на вълната на светлината, на която гледате, и качеството на вашата оптика. Ако имате перфектна оптика, можете да разрешите целия път до границата на Rayleigh, което ви предоставя възможно най-високата разрешаваща способност от физиката. (SPENCER BLIVEN / ОБЩЕСТВЕН ДОМАН)

Това е основата на това как работи всеки голям телескоп с една чиния. Светлината идва от източника, като всяка точка в пространството - дори различни точки, произхождащи от един и същ обект - излъчва собствена светлина със собствени уникални свойства. Разделителната способност се определя от броя на дължините на вълните на светлината, които могат да се поберат в основното ни огледало.

Ако нашите детектори са достатъчно чувствителни, ще можем да разрешим всякакви функции на обект. Могат да се появят горещи и студени участъци на звезда, като слънчеви петна. Можем да разберем функции като вулкани, гейзери, ледени чаши и басейни на планети и луни. И степента на излъчващия светлина газ или плазма, заедно с техните температури и плътност, също могат да бъдат представени. Това е фантастично постижение, което зависи само от физическите и оптични свойства на вашия телескоп.

Втората по големина черна дупка, която се вижда от Земята, тази в центъра на галактика M87, е показана на три изгледа тук. В горната част е оптичен от Хъбъл, в долната лява е радио от NRAO, а в долната дясна част е рентген от Чандра. Тези различни изгледи имат различни разделителни способности в зависимост от оптичната чувствителност, дължината на вълната на използваната светлина и размера на огледалата на телескопа, използвани за тяхното наблюдение. Рентгеновите наблюдения на Чандра осигуряват изключителна резолюция, въпреки че имат ефективно огледало с диаметър 8 см (20 см), благодарение на изключително късата дължина на вълната на рентгеновите лъчи, които наблюдава. (ТОП-ОПТИЧЕСКИ, HUBBLE SPACE TELESCOPE / НАСА / WIKISKY; НИВО ЛЯВО, РАДИО, НРАО / МНОГО ГОЛЯМО СЪСТОЯНИЕ (VLA); НИВО НАДЯСНО, X-RAY, НАСА / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Но може би нямате нужда от целия телескоп. Изграждането на гигантски телескоп е скъпо и ресурсоемко и всъщност служи на две цели за изграждането им толкова големи.

  1. Колкото по-голям е вашият телескоп, толкова по-добра е вашата разделителна способност въз основа на броя на дължините на вълната на светлината, които се вписват в основното ви огледало.
  2. Колкото по-голяма е площта за събиране на вашия телескоп, толкова повече светлина можете да съберете, което означава, че можете да наблюдавате по-бедни обекти и по-фини детайли, отколкото бихте могли да използвате с телескоп с по-ниска площ.

Ако вземете голямото си огледало за телескоп и започнете да потъмнявате някои петна - като нанасяте маска върху огледалото си - вече няма да можете да получавате светлина от тези места. В резултат на това ограниченията на яркостта на онова, което можете да видите, ще намалеят, пропорционално на повърхността (площта за събиране на светлина) на вашия телескоп. Но резолюцията все пак ще бъде равна на разделянето между различните части на огледалото.

Метеор, заснет през Atacama Large Millimeter / sub-milimeter Array, 2014. ALMA е може би най-модерният и най-сложен масив от радиотелескопи в света, способен е да изобразява безпрецедентни детайли в протопланетарните дискове, а също така е неразделна част от телескопът за хоризонти на събитията. (ESO / C. MALIN)

Това е принципът, на който се основават масивите от телескопи. Има много източници, особено в радиочестотната част на радиочестотния спектър, които са изключително ярки, така че нямате нужда от цялата тази зона за събиране, която идва с изграждането на огромно, едно-единствено ястие.

Вместо това можете да създадете масив от ястия. Тъй като светлината от далечен източник ще се разпространи, искате да съберете светлина върху възможно най-голяма площ. Не е нужно да инвестирате всичките си ресурси в създаването на огромно ястие с върховна сила за събиране на светлина, но все пак се нуждаете от същата тази превъзходна резолюция. И оттам идва идеята за използване на гигантски масив от радиотелескопи. С свързан масив телескопи по целия свят можем да разрешим някои от най-ярките, но най-малките обекти с ъглов размер.

Тази диаграма показва местоположението на всички телескопи и телескопни масиви, използвани в наблюденията на телескопа за хоризонтални събития на 2017 на M87. Само телескопът на Южния полюс не успя да изобрази M87, тъй като е разположен в грешната част на Земята, за да види някога центъра на тази галактика. Всяко едно от тези места е снабдено с атомен часовник, наред с други части от оборудването. (NRAO)

Функционално няма разлика между мисленето за следните два сценария.

  1. Телескопът Event Horizon е единично огледало с много лента за маскиране върху части от него. Светлината се събира и фокусира от всички тези различни места по Земята в една точка и след това се синтезира заедно в изображение, което разкрива различните яркости и свойства на вашата цел в пространството, до максималната ви разделителна способност.
  2. Телескопът Event Horizon сам по себе си е масив от много различни индивидуални телескопи и индивидуални масиви от телескопи. Светлината се събира, маркира се с атомен часовник (за синхронизиране) и се записва като данни на всеки отделен сайт. След това тези данни се пришиват и обработват заедно по подходящ начин, за да създадат изображение, което разкрива яркостите и свойствата на всичко, което гледате в космоса.

Единствената разлика е в техниките, които трябва да използвате, за да го направите, но за това имаме науката за VLBI: много дългосрочна интерферометрия.

В VLBI радиосигналите се записват на всеки от отделните телескопи, преди да бъдат изпратени до централно място. Всяка получена точка от данни се подпечатва с изключително точен, високочестотен атомен часовник заедно с данните, за да помогне на учените да направят синхронизирането на наблюденията правилно. (ПУБЛИЧЕН ДОМЕН / WIKIPEDIA USER RNT20)

Веднага може да започнете да мислите за диви идеи, като например да пуснете радио телескоп в дълбоко космос и да използвате това, свързано с телескопите на Земята, за да разширите основната си линия. Това е чудесен план, но трябва да разберете, че има причина ние да не създадем телескопа Event Horizon с два добре разделени сайта: искаме тази невероятна резолюция във всички посоки.

Искаме да получим пълно двуизмерно покритие на небето, което означава, че в идеалния случай ние трябва да разполагаме с телескопи в голям пръстен, за да получим онези огромни разстояния. Това, разбира се, не е възможно в свят с континенти и океани, градове и нации и други граници, граници и ограничения. Но с осем независими сайта по целия свят (седем от които бяха полезни за изображението на M87), успяхме да се справим невероятно добре.

Първото пуснато изображение на телескопа на хоризонта на телескопа постигна разделителна способност от 22,5 микроарксекунди, което позволява на масива да разреши хоризонта на събитията на черната дупка в центъра на M87. Телескопът с една чиния би трябвало да е с диаметър 12 000 км, за да се постигне същата острота. Обърнете внимание на различния външен вид между изображенията на април 5/6 и изображенията от 10 април, които показват, че характеристиките около черната дупка се променят с течение на времето. Това помага да се демонстрира важността на синхронизирането на различните наблюдения, а не просто усредняването им във времето. (СЪБИТИЕ ЗА ХЕЛИЗОНЕН ТЕЛЕСКОП)

В момента телескопът на хоризонта на събитията е ограничен до Земята, ограничен до чиниите, които в момента са свързани в мрежа, и ограничен от конкретните дължини на вълните, които може да измери. Ако може да бъде модифициран за наблюдение при по-къси дължини на вълната и би могъл да преодолее непрозрачността на атмосферата при тези дължини на вълната, бихме могли да постигнем по-високи разделителни способности със същото оборудване. По принцип може да можем да видим черти от три до пет пъти по-остри, без да се нуждаем от нито едно ново ястие.

Правейки тези едновременни наблюдения в целия свят, телескопът Event Horizon наистина се държи като един телескоп. Той има само силата за събиране на светлина на отделните ястия, добавени заедно, но може да постигне разрешаването на разстоянието между съдовете в посоката, в която съдовете са разделени.

Като обхващаме диаметъра на Земята с много различни телескопи (или телескопни масиви) едновременно, успяхме да получим данните, необходими за разрешаване на хоризонта на събитията.

Телескопът Event Horizon се държи като единичен телескоп заради невероятния напредък в използваните техники и увеличенията на изчислителната мощност и новите алгоритми, които ни позволяват да синтезираме тези данни в едно изображение. Това не е лесен подвиг и взе екип от над 100 учени, работещи дълги години, за да го направят.

Но оптично принципите са същите като използването на едно огледало. Има светлина, идваща от различни петна от един източник, всички се разпространяват и всички пристигат в различните телескопи в масива. Сякаш пристигат на различни места покрай изключително голямо огледало. Ключът е в това как синтезираме тези данни заедно и ги използваме, за да реконструираме изображение на това, което всъщност се случва.

Сега, след като екипът на телескопа на Event Horizon успешно направи точно това, време е да определим гледката си към следващата цел: да научим колкото може повече за всяка черна дупка, която сме способни да гледаме. Като всички вас, аз едвам чакам.

Изпратете вашите въпроси Попитайте Итън на startwithabang в gmail dot com!

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекология: Науката за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.