HD 163296 е представителна за типичен протопланетен диск, гледан от DSHARP колаборацията. Той има централен протопланетен диск, външни емисионни пръстени и пролуки между тях. В тази система би трябвало да има множество планети и човек може да идентифицира странна артефактна вътрешност до втория от най-външния пръстен, който може да е показателен знак за смущаваща планета. Мащабната лента в долния десен ъгъл е 10 AU, което съответства на разделителна способност от само няколко милиарксекунди. Това може да се постигне само чрез VLBI. (S. M. ANDREWS ET AL. И СЪБИРАНЕТО DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

Попитайте Итън: Как много интерферометрията с много дълга основа ни позволява да изобразим черна дупка?

Техниката от телескопа Event Horizon ни донесе изображение на черна дупка. Ето как работи.

Телескопът „Хоризонт на събитията“ е осъществил онова, което никой друг телескоп или телескоп масив не е правил: направо е изобразил хоризонта на събитията на черна дупка. Екип от над 200 учени, използващи данни от осем независими телескопични съоръжения на пет континента, всички се обединиха, за да постигнат този монументален триумф. Въпреки че има много приноси и сътрудници, които заслужават да бъдат осветени, има основна физическа техника, от която всичко зависи: Интерферометрия на много дълги основи или VLBI. Привърженикът на Патреон Кен Блекман иска да знае как работи това и как е активирал този забележителен подвиг, питайки:

[Телескопът на хоризонта на събитията] използва VLBI. И така, какво е интерферометрия и как беше използвана от [телескопа на хоризонта на събитията]? Изглежда, че това е била основна съставка при създаването на образа на M87, но нямам идея как или защо. Грижа за изясняване?

Вие сте на; Хайде да го направим.

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. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ EUDJINNIUS)

За един телескоп всичко е сравнително просто. Светлината влиза като поредица от паралелни лъчи, всички произхождащи от един и същи далечен източник. Светлината удря първичното огледало на телескопа и се фокусира към една точка. Ако поставите допълнително огледало (или набор от огледала) по пътя на светлината, те не променят тази история; те просто се променят там, където тази светлина се навива и се сближава до точка.

Всички тези светлинни лъчи стигат до тази крайна точка по едно и също време, където след това могат да бъдат комбинирани в изображение или записани като сурови данни, за да бъдат обработени в изображение по-късно. Това е ултра-основната версия на телескопа: светлината пристига от източник, фокусира се в малък регион и се записва.

Малка част от много големия масив на Карл Янски, един от най-големите и най-мощни масиви от радиотелескопи в света. Ако отделните ястия не се синхронизират правилно заедно, те няма да постигнат по-висока разделителна способност от едно ястие. (JOHN FOWLER)

Но какво ще стане, ако нямате един телескоп, а множество телескопи, които са свързани в мрежа в някакъв масив? Може да си помислите, че можете просто да разгледате проблема по подобен начин и да фокусирате светлината от всеки телескоп по начина, по който бихте го направили за телескоп с една чиния. Светлината все още ще пристига в паралелни лъчи; всяко основно огледало все още ще фокусира тази светлина до една точка; светлинните лъчи на всеки телескоп пристигат в крайната точка едновременно; всички тези данни след това могат да се събират и съхраняват.

Можете да го направите, разбира се. Но това би ви дало само два независими образа. Можете да ги комбинирате, но това само ще оцени средно данните. Сякаш сте наблюдавали целта си с един телескоп в два различни времена и добавяте данните заедно.

Когато е завършен, квадратният километров масив ще се състои от масив от хиляди радиотелескопи, способни да виждат по-далеч назад във Вселената, отколкото всяка обсерватория, която е измервала всякакъв вид звезда или галактика. (ОФИС ЗА РАЗВИТИЕ НА ПРОЕКТИТЕ И ПРОИЗВОДСТВА НА АВТОМОБИЛА SWINBURNE)

Това не ви помага при големия ви проблем, а именно, че се нуждаете от критичната засилена резолюция, която идва с помощта на мрежа от телескопи, свързани заедно с VLBI. Когато успешно свържете множество телескопи заедно с техниката VLBI, тя може да ви даде изображение, което има мощността на събиране на светлина на отделните телескопски съдове, добавена заедно, но (оптимално) с разделителното разстояние между телескопите.

Тази техника се използва многократно многократно, не само за изобразяване на черна дупка и дори не само с радио телескопи. Всъщност може би най-зрелищният пример за VLBI беше използван от големия бинокуларен телескоп, който разполага с два 8-метрови телескопа, които са монтирани заедно, като се държи с резолюцията на ~ 23-метров телескоп. В резултат на това той може да разреши функции, които никоя 8-метрова чиния не може, като изригване на вулкани върху Йо, докато изпитва затъмнение от друга луна на Юпитер.

Окултурата на луната на Юпитер, Йо, с изригващите вулкани Локи и Пеле, окупирана от Европа, което е невидимо в този инфрачервен образ. Големият бинокуларен телескоп успя да направи това благодарение на техниката на интерферометрия. (LBTO)

Ключът към отключването на този тип захранване е, че трябва да можете да събирате своите наблюдения в едно и също време. Светлинните сигнали, които пристигат в телескопите, пристигат след леко различно време на пътуване на светлината, поради различното разстояние, със скоростта на светлината, че той отнема сигнала да пътува от обекта на източника до различните детектори / телескопи на Земята.

Трябва да знаете времето на пристигане на сигналите в различните места на телескопа по целия свят, за да можете да ги комбинирате заедно в едно изображение. Само чрез комбиниране на данни, които съответстват на едновременно гледане на един и същ източник, можем да постигнем максималната разделителна способност, която мрежа от телескопи е в състояние да предложи.

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)

Начинът, по който правим това, е практически чрез използване на атомни часовници. На всяко едно от 8-те места по целия свят, където телескопът на Event Horizon взема данни, е атомен часовник, който ни позволява да запазим време до прецизности от няколко атосекунди (10 ^ -18 s). Имаше и необходимост от инсталиране на специализирано изчислително оборудване (както хардуерно, така и софтуерно), за да може наблюденията да бъдат съпоставени и синхронизирани между различните станции по света.

Трябва да наблюдавате един и същ обект по едно и също време с една и съща честота, като същевременно коригирате неща като атмосферен шум с правилно калибриран телескоп. Това е трудоемка задача, която изисква огромна прецизност. Но когато стигнете до там, изплащането е изумително.

Протопланетарният диск около младата звезда, HL Tauri, както е сниман от ALMA. Пропуските в диска показват наличието на нови планети. Тази система е вече на стотици милиони години, а планетите там вероятно се приближават до крайните си етапи и орбити. Тази резолюция е възможна само поради използването на VLBI от ALMA. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Горното изображение може да изглежда, че няма нищо общо с черна дупка, но всъщност е едно от най-известните изображения от най-мощния единичен масив от радиотелескопи: ALMA. ALMA означава Atacama Large Millimeter / Submillimetre Array и се състои от 66 независими радиоактивни ястия, които могат да се регулират, за да бъдат раздалечени на разстояние от 150 метра, до 16 километра.

Силата за събиране на светлина се определя точно от площта на отделните ястия, добавени заедно; това не се променя. Но резолюцията, която може да постигне, се определя от разстоянието между чиниите. Ето как може да постигне разделителна способност само до няколко мили-дъгови секунди или резолюции от 1/300 000-та степен.

Големият милиметър / субмилиметров масив Atacama (ALMA) са едни от най-мощните радиотелескопи на Земята. Тези телескопи могат да измерват сигнали на дълги вълни на атоми, молекули и йони, които са недостъпни за телескопи с по-малка дължина на вълната като Хъбъл, но също така могат да измерват подробности за протопланетарните системи и, потенциално, дори извънземни сигнали, които дори инфрачервените телескопи не могат да видят. Това беше най-важното допълнение към телескопа на Event Horizon. (ESO / C. MALIN)

Но колкото и впечатляващ да е ALMA, телескопът Event Horizon отива още по-далеч. С изходните линии между станциите, приближаващи се до диаметъра на Земята - повече от 10 000 км - той може да разрешава обекти на около 15 микро-дъгови секунди. Това невероятно подобрение в разделителната способност е това, което му позволи да изобрази хоризонта на събитията на черната дупка (която е 42 микро-дъгови секунди) в центъра на галактика M87.

Ключът за получаването на това изображение и за извършването на тези наблюдения с висока разделителна способност като цяло е да се синхронизира всеки един телескоп с наблюдения, които са абсолютно съвпадащи във времето. За да се случи това е просто концептуално, но се изисква монументална иновация, за да се приложи това на практика.

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)

Ключовият напредък дойде през 1958 г., когато ученият Роджър Дженисън написа известна сега книга: Фазова чувствителна интерферометрова техника за измерване на преобразуванията на Фурие на разпределения на пространствената яркост с малка ъглова степен. Това звучи като уста, но ето как можете да го разберете направо.

  1. Представете си, че имате три антени (или радиотелескопи), всички свързани и разделени на определени разстояния.
  2. Тези антени ще приемат сигнали от отдалечен източник, където могат да се изчислят относителните времена на пристигане на различните сигнали.
  3. Когато смесвате различните сигнали заедно, те ще се намесват един в друг, както поради реални ефекти, така и поради грешки.
  4. Това, което Дженисън въведе - и това, което се използва и до днес под формата на самокалибриране - е техниката за правилно комбиниране на реалните ефекти и игнориране на грешките.

Това днес е известно като синтез на бленда и основният принцип остава същият за повече от 60 години.

През април 2017 г. всичките 8 от телескопите / телескопните масиви, свързани с телескопа Event Horizon, насочени към Messier 87. Ето как изглежда супермасивна черна дупка, където ясно се вижда хоризонтът на събитията. Само чрез VLBI можем да постигнем резолюцията, необходима за изграждането на изображение като това. (СЪБИТИЕ НА ХОРИЗОН ТЕЛЕСКОП СЪТРУДНИЧЕСТВО ET AL.)

Това, което е фантастично за тази техника, е, че тя може да се прилага буквално във всеки диапазон на дължината на вълната. В момента телескопът Event Horizon измерва радиовълни с определена честота, но теоретично би могъл да работи с честота между три и пет пъти по-висока. Тъй като разделителната способност на вашия телескоп зависи от това колко вълни могат да се поберат по диаметъра (или базовата линия) на вашия телескоп, преминаването към по-високи честоти се превръща в по-къси дължини на вълната и по-висока разделителна способност. Бихме могли да получим пет пъти по-голяма разделителна способност, без да се налага да изграждаме едно-единствено ново ястие.

Първата черна дупка може би току-що е пристигнала преди няколко дни, но вече гледаме към бъдещето. Първият хоризонт на събитията наистина е само началото. В допълнение към това, телескопът на хоризонта на събитията трябва някой ден да бъде в състояние да разрешава функции на далечни блейзари и други ярки радиоизточници, което ни позволява да ги разберем както никога досега. Добре дошли в света на VLBI, където ако искате телескоп с по-висока разделителна способност, просто трябва да преместите тези, които имате по-далече!

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 „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.