Allen teleskopski niz potencijalno je sposoban otkriti jak radio signal iz Proxima b ili bilo kojeg drugog zvjezdanog sustava s dovoljno jakim radio prijenosima. Uspješno je surađivao s drugim radio-teleskopima na izuzetno dugim osnovnim vrijednostima da bi riješio horizont događaja crne rupe: vjerojatno da je to krunsko postignuće. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Pitajte Ethana: Kako djeluje horizontski teleskop kao jedno ogromno ogledalo?

Sastoji se od mnogobrojnih teleskopa na raznim mjestima širom svijeta. Ali djeluje poput jednog divovskog teleskopa. Evo kako.

Ako želite promatrati Svemir dublje i u većoj razlučivosti nego ikad prije, postoji jedna taktika za koju se svi slažu da je idealna: izgradite što veći teleskop. Ali slika najveće razlučivosti koju smo ikad napravili u astronomiji ne potiče iz najvećeg teleskopa, već iz ogromnog niza skromnih teleskopa: Event Horizon teleskop. Kako je to moguće? To želi naš upitnik pitati Ethana za ovaj tjedan, Dieter, navodeći:

Imam poteškoća u razumijevanju zašto se EHT polje smatra JEDNIM teleskopom (koji ima promjer zemlje). Kada smatrate EHT kao JEDAN radio-teleskop, razumijem da je kutna rezolucija vrlo visoka zbog valne duljine dolaznog signala i zemljinog promjera. Također razumijem da je sinkronizacija vremena presudna. Ali bilo bi od velike pomoći objasniti zašto se promjer EHT-a smatra JEDNIM teleskopom, s obzirom da u nizu ima oko 10 pojedinačnih teleskopa.

Konstruiranje slike crne rupe u središtu M87 jedno je od najupečatljivijih dostignuća koje smo ikada postigli. Evo što je to omogućilo.

Odnos udaljenosti svjetline i način na koji tok iz izvora svjetlosti otpada kao jedan kvadrat udaljenosti. Zemlja ima temperaturu koju radi zbog udaljenosti od Sunca, što određuje koliki je udio energije po jedinici na našem planetu. Udaljene zvijezde ili galaksije imaju prividnu svjetlinu koju imaju zbog ovog odnosa, što zahtijeva i ušteda energije. Imajte na umu da se svjetlost također širi u području dok napušta izvor. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Prvo što trebate shvatiti je kako djeluje svjetlost. Kada u Svemiru imate bilo koji predmet koji emitira svjetlost, svjetlost koju emitira će se raširiti u sferi nakon napuštanja izvora. Ako ste imali samo foto detektor koji je predstavljao jednu točku, još uvijek biste mogli otkriti taj udaljeni objekt koji emitira svjetlost.

Ali to ne biste uspjeli riješiti.

Kad svjetlost (tj. Foton) udari u vaš točkasti detektor, možete registrirati da je svjetlost stigla; možete izmjeriti energiju i valnu dužinu svjetlosti; možete znati iz kojeg smjera je svjetlost došla. Ali ne biste mogli znati ništa o fizičkim svojstvima tog objekta. Ne biste znali njegovu veličinu, oblik, fizičku veličinu ili jesu li različiti dijelovi različite boje ili svjetline. To je zato što informacije primate samo u jednom trenutku.

Maglica NGC 246 poznatija je kao Maglina lubanje po prisutnosti njezinih dva užarena oka. Središnje oko je zapravo par binarnih zvijezda, a manja, slabija, odgovorna je za samu maglicu, jer ispucava vanjske slojeve. U zviježđu Cetusa udaljeno je samo 1600 svjetlosnih godina. Shvaćajući to kao više od jednog objekta zahtijeva sposobnost da se riješe ove značajke, ovisno o veličini teleskopa i broju valnih duljina svjetla koji se uklapaju u njegovo primarno ogledalo. (GEMINI JUŽNI GMOS, PUTNIK ZA PUTOVANJE (UNIV. ALASKA))

Što bi trebalo znati da li gledate u jednu točku svjetlosti, poput zvijezde poput našeg Sunca, ili višestruke točke svjetlosti, kao što biste pronašli u binarnom sustavu zvijezda? Za to bi vam trebalo primati svjetlost u više točaka. Umjesto točkasti detektor, mogli biste imati detektor nalik na posudu, poput primarnog zrcala na reflektirajućem teleskopu.

Kad uđe svjetlost, to više nije udarna točka, već područje. Svjetlost koja se raširila u sferi sada se odbija od ogledala i usredotočuje se na točku. A svjetlost koja dolazi iz dva različita izvora, čak i ako su blizu zajedno, bit će usmjerena na dva različita mjesta.

Bilo koji reflektirajući teleskop zasnovan je na principu reflektiranja dolaznih svjetlosnih zraka putem velikog primarnog zrcala koje fokusira tu svjetlost na točku, gdje se tada ili raščlanjuje na podatke i snima, ili koristi za izgradnju slike. Ovaj specifični dijagram ilustrira put svjetlosti za Herschel-Lomonosov sustav teleskopa. Imajte na umu da će dva različita izvora biti usmjerena na dva različita mjesta (plava i zelena staza), ali samo ako teleskop ima dovoljno mogućnosti. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK EUDJINNIUS)

Ako je vaše ogledalo u teleskopu dovoljno veliko u usporedbi s razdvajanjem dvaju predmeta, a optika vam je dovoljno dobra, moći ćete ih riješiti. Ako pravilno napravite svoj aparat, moći ćete reći da postoji više objekata. Čini se da će se dva izvora svjetlosti razlikovati jedan od drugog. Tehnički gledano, postoji veza između tri količine:

  • kutna rezolucija koju možete postići,
  • promjer vašeg zrcala,
  • i valnu duljinu svjetlosti u koju gledate.

Ako su vam izvori bliži jedan drugom ili vam je zrcalo teleskopa manje ili gledate pomoću svjetlosne duljine, postaje sve izazovniji riješiti sve što gledate. Teže je riješiti postoji li više objekata ili ne, ili ima li objekt koji gledate svijetlo i tamno. Ako vam je razlučivost nedovoljna, sve se pojavljuje kao nejasan, nerazriješeni pojedinačni spot.

Ograničenja razlučivosti određena su iz tri faktora: promjerom vašeg teleskopa, valnom dužinom svjetla u kojem gledate i kvalitetom vaše optike. Ako imate savršenu optiku, možete se riješiti sve do Rayleigh-ove granice, što vam daje najveću moguću razlučivost koju dopušta fizika. (SPENCER BLIVEN / JAVNI DOMAĆIN)

To je osnova funkcioniranja bilo kojeg velikog teleskopa sa jednom posudom. Svjetlost dolazi iz izvora, a svaka točka u prostoru - čak i različite točke koje potiču iz istog objekta - emitira vlastitu svjetlost sa svojim jedinstvenim svojstvima. Rezolucija je određena brojem valnih duljina svjetlosti koji se mogu uklopiti preko našeg primarnog zrcala.

Ako su naši detektori dovoljno osjetljivi, moći ćemo riješiti sve vrste značajki na nekom objektu. Mogu se pojaviti vruće i hladne regije neke zvijezde, poput sunčevih pjega. Možemo razabrati značajke poput vulkana, gejzira, ledenih kape i bazena na planetama i mjesecima. A opseg plina ili plazme koji emitiraju svjetlost, zajedno s njihovim temperaturama i gustoćom, također se može zamisliti. To je fantastično dostignuće koje ovisi samo o fizičkim i optičkim svojstvima vašeg teleskopa.

Druga najveća crna rupa promatrana sa Zemlje, ona u središtu galaksije M87, prikazana je ovdje u tri pogleda. Na vrhu je optička Hubble, dolje lijevo je radio iz NRAO-a, a dolje desno je rendgenski snimak iz Chandra. Ovi različiti pogledi imaju različite razlučivosti ovisno o optičkoj osjetljivosti, valnoj duljini svjetlosti i veličini zrcala teleskopa koji se koriste za njihovo promatranje. Rendgenska promatranja Chandra pružaju izvrsnu rezoluciju, iako imaju učinkovito ogledalo promjera 8 inča (20 cm), zahvaljujući izuzetno kratkoj talasnoj prirodi X-zraka koje promatra. (GLAVI, OPTIČKI, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; MALI LIJEVI, RADIO, NRAO / VELIKO VELIKO PODRUČJE (VLA); MANJI DESNI, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Ali možda vam ne treba cijeli teleskop. Izgradnja džinovskog teleskopa skupa je i troši resurse, a zapravo služi za dvije svrhe da ih izgradi toliko velika.

  1. Što je vaš teleskop veći, to vam je bolja razlučivost na temelju broja valnih duljina svjetlosti koji se uklapaju u vaše primarno ogledalo.
  2. Što je veće područje za prikupljanje vašeg teleskopa, više se svjetla možete skupiti, što znači da možete primijetiti bliže predmete i sitnije detalje nego što biste mogli sa teleskopom niže površine.

Ako ste uzeli veliko zrcalo teleskopa i počeli potamniti neke mrlje - poput nanošenja maske na ogledalo - više ne biste mogli primati svjetlost s tih lokacija. Kao rezultat, ograničenja svjetline onoga što biste mogli vidjeti smanjuju se srazmjerno površini (područje prikupljanja svjetlosti) vašeg teleskopa. No razlučivost bi bila jednaka razdvajanju između različitih dijelova zrcala.

Meteor, fotografiran na velikom milimetrskom / pod-milimetarskom polju Atacama, 2014. ALMA je možda najnaprednija i najsloženija lepeza radijskih teleskopa na svijetu, sposobna je slikati neviđene detalje na protoplanetarnim diskovima, a također je sastavni dio teleskop Event Horizon. (ESO / C. MALIN)

To je princip na kojem se temelje nizovi teleskopa. Ima mnogo izvora, posebice u radijskom dijelu spektra, koji su izuzetno svijetli, tako da vam nije potreban sav taj skup za prikupljanje koji dolazi uz izgradnju ogromnog, jedinstvenog jela.

Umjesto toga, možete sastaviti niz posuđa. Budući da će se svjetlost iz udaljenog izvora širiti, želite sakupljati svjetlost na što većem području. Ne morate ulagati sve svoje resurse u izgradnju ogromnog posuđa s vrhunskom snagom prikupljanja svjetlosti, ali svejedno vam je potrebna ta ista vrhunska rezolucija. I odatle potječe ideja o korištenju ogromnog niza radio-teleskopa. Sa povezanim nizom teleskopa širom svijeta, možemo riješiti neke najsjajnije, ali i najmanje objekte ugaone veličine.

Ovaj dijagram prikazuje mjesto svih teleskopa i teleskopskih nizova korištenih u promatranjima M87 za horizont događaja 2017. godine. Samo teleskop Južnog pola nije uspio slikati M87, jer se nalazi na pogrešnom dijelu Zemlje da bi ikada vidio središte te galaksije. Svaka od ovih lokacija opremljena je atomskim satom, među ostalim dijelovima opreme. (NRAO)

U funkcionalnom smislu, nema razlike između razmišljanja o sljedeća dva scenarija.

  1. Teleskop slučajnog horizonta jedinstveno je ogledalo s puno maskirajuće vrpce preko njegovih dijelova. Svjetlo se sakuplja i fokusira iz svih tih različitih lokacija diljem Zemlje u jednu točku, a zatim zajedno sintetizira u sliku koja otkriva različite svjetline i svojstva vašeg cilja u svemiru, do vaše maksimalne rezolucije.
  2. Teleskop slučajnog horizonta sam je niz mnogih različitih teleskopa i pojedinih nizova teleskopa. Svjetlo se sakuplja, vremenski označava atomskim satom (u svrhu sinkronizacije) i bilježi se kao podatak na svakom pojedinačnom mjestu. Ti se podaci zatim zajedno prikupljaju i obrađuju kako bi se stvorila slika koja otkriva svjetline i svojstva onoga što gledate u svemiru.

Jedina je razlika u tehnikama koje morate koristiti da bi se to dogodilo, ali zato imamo VLBI znanost: vrlo interferometriju s dugim vrijednostima.

U VLBI, radio signali se snimaju na svakom pojedinom teleskopu prije otpreme na središnje mjesto. Svaka primljena podatkovna točka oživljena je izuzetno preciznim, visokofrekventnim atomskim satom zajedno s podacima kako bi znanstvenici pomogli ispraviti sinkronizaciju opažanja. (JAVNI DOMEN / WIKIPEDIA USER RNT20)

Mogli biste odmah početi razmišljati o divljim idejama, poput lansiranja radio-teleskopa u duboki svemir i koristeći to umreženo teleskopima na Zemlji za proširenje svoje osnovne vrijednosti. Izvrstan je plan, ali morate shvatiti da postoji razlog što nismo samo izgradili teleskop Event Horizon s dva dobro odvojena mjesta: želimo tu nevjerojatnu razlučivost u svim smjerovima.

Želimo dobiti potpunu dvodimenzionalnu pokrivenost neba, što u idealnom slučaju znači da su naši teleskopi raspoređeni u velikom prstenu kako bismo dobili ta ogromna odvajanja. To, naravno, nije izvedivo na svijetu s kontinentima i oceanima, gradovima i narodima i drugim granicama, granicama i ograničenjima. Ali s osam nezavisnih web lokacija širom svijeta (od kojih je sedam bilo korisno za sliku M87) uspjeli smo učiniti nevjerojatno dobro.

Prva objavljena slika teleskopa Horizon postigla je razlučivosti od 22,5 mikrokarsekundi, omogućujući nizu da riješi horizont događaja crne rupe u središtu M87. Teleskop s jednim posudom trebao bi biti promjera 12 000 km da bi se postigla ta ista oštrina. Imajte na umu različite pojavnosti između slika 5. i 6. travnja i slika od 10. travnja, što pokazuje da se značajke oko crne rupe s vremenom mijenjaju. To pomaže u prikazivanju važnosti sinkronizacije različitih promatranja, a ne samo njihova prosjeka. (DOGAĐAJ SURADNJA HELIZONSKOG TELESKOPA)

Trenutno je teleskop teleskopskog horizonta ograničen na Zemlju, ograničen na posuđe koji su trenutno umreženi u mrežu, i ograničen je određenom valnom duljinom koju može mjeriti. Ako bi ga se moglo modificirati za promatranje na kraćim valnim duljinama i prevladati neprozirnost atmosfere na tim valnim duljinama, mogli bismo postići veće razlučivosti s istom opremom. U principu, možda ćemo moći oštro vidjeti tri do pet puta, a da nam nije potrebno nijedno novo jelo.

Izvodeći ta simultana promatranja u cijelom svijetu, Event Horizon teleskop stvarno se ponaša kao jedan teleskop. Ima samo snagu prikupljanja svjetla od pojedinačnih jela koja se dodaju zajedno, ali može se postići razmak udaljenosti između posuđa u smjeru u kojem se posuđe razdvaja.

Rastežući promjer Zemlje s mnogo različitih teleskopa (ili teleskopskih nizova) istovremeno, uspjeli smo dobiti podatke potrebne za rješavanje horizonta događaja.

Teleskop slučajnog horizonta ponaša se poput jedinstvenog teleskopa zbog nevjerojatnog napretka u tehnikama koje koristimo i povećanja računske snage i novih algoritama koji nam omogućuju sintezu ovih podataka u jednu sliku. To nije lak podvig i uzeo je tim od preko 100 znanstvenika koji rade dugi niz godina kako bi ga ostvarili.

Ali optički, principi su isti kao kod korištenja jednog zrcala. Imamo svjetlost koja dolazi s različitih mjesta na jednom izvoru, a sve se širi i sva koja stiže do raznih teleskopa u nizu. Kao da stižu na različite lokacije uz izuzetno veliko ogledalo. Ključno je u tome kako zajedno sintetiziramo te podatke i pomoću njih rekonstruiramo sliku onoga što se zapravo događa.

Sada kada je tim za teleskop teleskop Event Horizon uspješno učinio upravo to, vrijeme je da postavimo svoj pogled na sljedeći cilj: naučiti što više o svakoj crnoj rupi koju možemo pogledati. Kao i svi, jedva čekam.

Pošaljite svoja Pitanja Ethanu na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy iTreknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.