HD 163296 on tüüpiline protoplanetaarne ketas, mida vaatleb DSHARP-i koostöö. Sellel on keskne protoplanetaarne ketas, välimised emissioonirõngad ja nendevahelised vahed. Selles süsteemis peaks olema mitu planeeti ja teine ​​on äärepoolseimast rõngast võimalik tuvastada paaritu eseme sisemus, mis võib olla häiriva planeedi märgutuli. Paremal allosas asuv skaalariba on 10 AU, mis vastab ainult mõne milliarcsekundi täpsusele. Seda on võimalik saavutada ainult VLBI kaudu. (S. M. ANDREWS ET AL. JA DSHARPI KOOSTÖÖ, ARXIV: 1812.04040)

Küsige Ethanilt: kuidas võimaldab väga pika aluspinna interferomeetria abil musta auku pildistada?

See on sündmushorisondi teleskoobi tehnika, mis tõi meile musta augu pildi. See toimib järgmiselt.

Event Horizon Telescope on saavutanud selle, mida ükski teine ​​teleskoop ega teleskoobimassiiv pole kunagi varem teinud: kujutanud musta augu sündmuse horisonti otse. Selle monumentaalse võidukäigu saavutamiseks liitusid kõik enam kui 200 teadlasest koosnev meeskond, kes kasutas andmeid kaheksast sõltumatust teleskoobi rajatisest viiel mandril. Ehkki on palju kaastööd ja kaastöötajaid, kes väärivad selle esiletõstmist, on olemas põhiline füüsika tehnika, millest see kõik sõltus: väga pika aluse interferomeetria ehk VLBI. Patreoni toetaja Ken Blackman soovib teada saada, kuidas see töötab ja kuidas see selle tähelepanuväärse feat võimaldas, küsides:

[Event Horizon Telescope] kasutab VLBI-d. Mis on interferomeetria ja kuidas seda [Event Horizon Telescope] rakendas? Tundub, et see oli M87 pildi loomisel võtmetähtsusega, kuid mul pole aimugi, kuidas või miks. Kas soovite selgitada?

Sa oled kohal; teeme seda.

Mis tahes peegeldav teleskoop põhineb põhimõttel, et sissetulevad valguskiired peegeldatakse suure primaarse peegli kaudu, mis fokuseerib selle valguse punkti, kus see kas jaotatakse andmeteks ja salvestatakse või kasutatakse pildi konstrueerimiseks. See konkreetne diagramm illustreerib Herscheli-Lomonosovi teleskoobisüsteemi valgusteid. (WIKIMEDIA ÜHINE KASUTAJA EUDJINNIUS)

Ühe teleskoobi jaoks on kõik suhteliselt lihtne. Valgus tuleb rea paralleelsete kiirtena, mis on pärit samast kaugest allikast. Valgus lööb teleskoobi peamise peegli külge ja fokuseeritakse ühte punkti. Kui asetate valguse teele täiendava peegli (või peeglite komplekti), ei muuda need seda lugu; nad lihtsalt muutuvad seal, kus see tuli koondub punktini.

Kõik need valguskiired jõuavad samal ajal sellesse lõpp-punkti, kus neid saab seejärel kas pildiks ühendada või lähteandmetena salvestada, et neid hiljem hilisemaks pildiks töödelda. See on teleskoobi ülilihtne versioon: valgus saabub allikast, fokuseeritakse väikesesse piirkonda ja salvestatakse.

Väike osa Karl Jansky väga suurest massiivist, mis on üks maailma suurimaid ja võimsamaid raadioteleskoopide massiive. Kui üksikuid nõusid pole korralikult sünkroonitud, ei saavutata nende eraldusvõimet suuremat kui ühe roa vahel. (JOHN FOWLER)

Aga mis siis, kui sul pole mitte ühte teleskoopi, vaid mitut teleskoopi, mis on omavahel mingisse massiivi ühendatud? Võite arvata, et võiksite probleemi lahendada lihtsalt sarnasel viisil ja koondada iga teleskoobi valgus nii, nagu teeksite seda ühe nõudega teleskoobi jaoks. Valgus saabuks ikkagi paralleelsete kiirtega; iga esmane peegel fokuseeriks selle valguse ikkagi ühte punkti; iga teleskoobi valguskiired jõuavad lõpppunkti samal ajal; kõiki neid andmeid saab seejärel koguda ja säilitada.

Sa võiksid seda muidugi teha. Kuid see annaks teile ainult kaks iseseisvat pilti. Saate neid ühendada, kuid see tähendaks ainult andmete keskmist väljavõtmist. Tundub, nagu oleksite vaadanud oma eesmärki ühe teleskoobiga kahel erineval ajal ja lisanud andmed kokku.

Ruutkilomeetrite massiiv koosneb valmimisel tuhandetest raadioteleskoopidest, mis suudavad näha universumit kaugemal kui ükski tähetorn, mis on mõõtnud igat tüüpi tähti või galaktikaid. (SKA PROJEKTI ARENDUSABINUS JA SWINBURNE ASTRONOOMIAtooted)

See ei aita teid oma suure probleemi puhul, milleks on see, et vajate kriitilist täiustatud eraldusvõimet, mis kaasneb VLBI-ga ühendatud teleskoopide võrgu kasutamisega. Kui ühendate edukalt mitu teleskoopi koos VLBI-tehnikaga, võib see anda teile pildi, millel on liidetud üksikute teleskoobianumate valguse kogumise võime, kuid (optimaalselt) koos teleskoobi tasside vahelise kauguse lahutusega.

Seda tehnikat on kuulsalt kasutatud palju kordi, mitte ainult musta augu pildistamiseks ja isegi mitte raadioteleskoopide abil. Tegelikult kasutas VLBI võib-olla kõige silmapaistvamat näidet Suure Binokli Teleskoop, millel on kaks 8-meetrist teleskoopi, mis on omavahel kokku pandud, käitudes ~ 23-meetrise teleskoobi lahutusvõimega. Selle tulemusel saab see lahendada funktsioonid, mida ükski 8-meetrine roog ei suuda, näiteks purskavad vulkaanid Io-l, kui see kogeb teisest Jupiteri kuust.

Jupiteri kuu Io, mille purskavate vulkaanide Loki ja Pele okupatsioon on Europa poolt varjatud, mis on sellel infrapunapildil nähtamatu. Suur binokli teleskoop suutis interferomeetria tehnika tõttu seda teha. (LBTO)

Seda tüüpi jõu vabastamise võti on see, et peate suutma oma tähelepanekud kokku panna samal ajal. Teleskoopidele saabuvad valgussignaalid saabuvad valguse kiiruse muutuva vahemaa tõttu pisut erineva valguse liikumisaja järel, et signaali kulub lähteobjektilt sisselülitatud erinevatele detektoritele / teleskoopidele Maa.

Peate teadma signaalide saabumisaega erinevates teleskoobi kohtades üle maailma, et saaksite neid ühendada üheks pildiks. Ainult sama allika samaaegsele vaatamisele vastavate andmete kombineerimisega saame saavutada maksimaalse eraldusvõime, mida teleskoopide võrk suudab pakkuda.

See diagramm näitab kõigi teleskoopide ja teleskoobimassiivide asukohta, mida kasutati M87 2017. aasta sündmuse horisontaalteleskoobi vaatlustes. Ainult lõunapooluse teleskoop ei suutnud M87-d pildistada, kuna see asub Maa vales osas, et kunagi vaadata selle galaktika keskpunkti. Kõik need asukohad on muude varustuse hulgas varustatud aatomkellaga. (NRAO)

Me teeme seda praktiliselt aatomkellade abil. Igas kaheksast asukohast kogu maailmas, kus Event Horizon Telescope andmeid võtab, on aatomkell, mis võimaldab meil hoida aega mõne visosekundi (10 ^ -18 s) täpsusteni. Samuti oli vaja paigaldada spetsialiseeritud arvutusseadmed (nii riistvara kui ka tarkvara), et vaatlusi oleks võimalik korrelatsioonis ja sünkroniseerida erinevate jaamade vahel kogu maailmas.

Peate jälgima sama objekti samal ajal sama sagedusega, korrigeerides samal ajal atmosfääri müra korralikult kalibreeritud teleskoobiga. See on töömahukas ülesanne, mis nõuab tohutult täpsust. Kuid sinna jõudes on väljamakse jahmatav.

Noore tähe HL Tauri ümber olev protoplanetaarne ketas, nagu pildistas ALMA. Lüngad kettal näitavad uute planeetide olemasolu. See süsteem on juba sadu miljoneid aastaid vana ja sealsed planeedid on tõenäoliselt jõudmas oma lõppjärku ja orbiitidele. See resolutsioon on võimalik ainult seetõttu, et ALMA kasutab VLBI-d. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Ülaltoodud pilt võib tunduda, et sellel pole mingit pistmist musta auguga, kuid see on tegelikult üks kuulsamaid pilte seal asuva raadioteleskoopide kõige võimsama ühe massiivi hulgast: ALMA. ALMA tähistab Atacama suurt millimeetrite / alammillimeetrite massiivi ja koosneb 66 sõltumatust raadioanalist, mida saab reguleerida 150 meetri kauguselt kuni 16 kilomeetrini.

Valguskoguse tugevuse määrab lihtsalt kõigi roogade pindala kokku; see ei muutu. Kuid selle eraldusvõime määrab roogade vahemaa. Nii saab see saavutada eraldusvõime vaid mõne milli-kaaresekundini või eraldusvõimeeni 1/300 000 kraadi kraadi.

Atacama suurte millimeetrite / submillimeetrite massiiv (ALMA) on ühed võimsamad raadioteleskoobid Maal. Need teleskoobid saavad mõõta aatomite, molekulide ja ioonide pikalaine signatuure, mis on ligipääsmatuks lühema lainepikkusega teleskoopidele nagu Hubble, kuid võivad mõõta ka protoplanetaarsüsteemide detaile ja potentsiaalselt ka võõraid signaale, mida isegi infrapuna teleskoobid ei näe. See oli Event Horizon Teleskoobi kõige olulisem lisand. (ESO / C. MALIN)

Kuid nii muljetavaldav kui ALMA, läheb Event Horizon Telescope veelgi kaugemale. Maa läbimõõdule lähenevate jaamade vaheliste lähtejoontega - enam kui 10 000 km - suudab see lahendada umbes 15 mikro-kaaresekundiga objekte. See lahutusvõime uskumatu paranemine võimaldas tal kujutada galaktika M87 keskel asuvat musta augu (mille läbimõõt on 42 mikrokaaresekundit) horisonti.

Kujutise saamise ja nende kõrge eraldusvõimega vaatluste tegemise võti on kõigi teleskoopide sünkroonimine vaatlustega, mis on absoluutselt ajaliselt kokku langevad. Selle teostamine on kontseptuaalselt lihtne, kuid selle elluviimiseks oli vaja monumentaalset uuendust.

VLBI-s registreeritakse raadiosignaalid igas üksikus teleskoobis enne nende kesksesse asukohta saatmist. Iga vastuvõetud andmepunkt on andmete kõrval templitud ülitäpse kõrgsagedusliku aatomkellaga, mis aitab teadlastel vaatluste sünkroonimist õigesti saavutada. (AVALIK DOMAIN / WIKIPEDIA KASUTAJA RNT20)

Oluline edusamm oli 1958. aastal, kui teadlane Roger Jennison kirjutas nüüd kuulsa raamatu: Faasitundlik interferomeetri tehnika väikese nurga all oleva ruumilise heleduse jaotuse Fourier-teisenduste mõõtmiseks. See kõlab nagu suutäis, kuid siin on see, kuidas saate seda arusaadavalt mõista.

  1. Kujutage ette, et teil on kolm antenni (või raadioteleskoopi), mis on kõik kokku haakunud ja kindlate vahemaadega eraldatud.
  2. Need antennid võtavad vastu signaale kaugest allikast, kus saab arvutada erinevate signaalide suhtelist saabumisaega.
  3. Erinevate signaalide segamisel segavad need üksteist nii tegelike efektide kui ka vigade tõttu.
  4. Jennisoni teerajaja ja seda, mida kasutatakse tänapäeval enesekalibreerimise vormis, oli tehnika, mille abil tõelised efektid õigesti ühendada ja vigu eirata.

Seda nimetatakse tänapäeval ava sünteesiks ja põhiprintsiip on samaks jäänud üle 60 aasta.

2017. aasta aprillis osutasid kõik sündmuse horisondi teleskoobiga seotud 8 teleskoobi / teleskoobi massiivi Messier 87. See näeb välja supermassiivne must auk, kus sündmuse horisont on selgelt nähtav. Ainult VLBI kaudu saaksime sellise pildi konstrueerimiseks vajaliku eraldusvõime. (ÜRITUS HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)

Selle tehnika jaoks on fantastiline see, et seda saab rakendada sõna otseses mõttes ükskõik millisele lainepikkuse vahemikule. Praegu mõõdab Event Horizon teleskoop kindla sagedusega raadiolaineid, kuid teoreetiliselt võiks see töötada sagedusel, mis on kolm kuni viis korda kõrgem. Kuna teie teleskoobi eraldusvõime sõltub sellest, kui palju laineid sobib teie teleskoobi läbimõõduga (või baasjoonega), tähendab kõrgematele sagedustele üleminek lühemaid lainepikkusi ja suuremat eraldusvõimet. Me saaksime viis korda suurema eraldusvõime, ilma et oleks vaja ehitada ühte uut rooga.

Esimene must auk võib olla just saabunud mõni päev tagasi, kuid vaatame juba tulevikku. Esimene sündmushorisont on tõesti alles algus. Lisaks sellele peaks Event Horizon Telescope kunagi olema võimeline lahendama kaugete bleiserite ja muude eredate raadioallikate funktsioone, võimaldades meil neist mõista nii, nagu kunagi varem. Tere tulemast VLBI maailma, kus kõrgema eraldusvõimega teleskoobi saamiseks peate lihtsalt teisaldama üksteisest kaugemale!

Saatke oma küsimusi küsige Ethanilt aadressile gwip dot com!

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".