HD 163296 reprezentativan je za tipični protoplanetarni disk kojeg promatra DSHARP suradnja. Ima središnji protoplanetarni disk, vanjske emisijske prstenove i praznine između njih. U ovom sustavu trebalo bi biti više planeta, a čovjek može prepoznati neobičnu unutrašnjost artefakta do drugog od najudaljenijeg prstena koji može biti znakovit znak uznemirujuće planete. Traka skale u donjem desnom dijelu je 10 AU, što odgovara rezoluciji od samo nekoliko miliarke sekundi. To se može postići samo putem VLBI. (S. M. ANDREWS ET AL. I SURADNJA DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

Pitajte Ethana: Kako nam interferometrija vrlo dugog polazišta omogućuje crtanje rupe?

To je tehnika, s teleskopa Event Horizon, koja nam je donijela sliku crne rupe. Evo kako to funkcionira.

Teleskop slučajnog horizonta postigao je ono što još nijedan drugi teleskop ili teleskop nije napravio: izravno je zamislio horizont događaja crne rupe. Tim od više od 200 znanstvenika koji su koristili podatke s osam neovisnih teleskopskih postrojenja na pet kontinenata udružili su se kako bi postigli ovaj monumentalni trijumf. Iako postoje mnogi prilozi i prilozi koji zaslužuju da se istaknu, postoji temeljna fizikalna tehnika o kojoj je sve ovisilo: Interferometrija vrlo dugačke osnove ili VLBI. Pristalica Patreona, Ken Blackman želi znati kako to funkcionira i kako je omogućio ovaj nevjerojatan podvig, pitajući:

[Event Horizon Telescope] koristi VLBI. Pa, što je interferometrija i kako ju je koristio [Event Horizon Telescope]? Čini se da je to bio ključni sastojak u stvaranju slike M87, ali nemam pojma kako i zašto. Želite li pojasniti?

Ti si na; učinimo to.

Bilo koji reflektirajući teleskop zasnovan je na principu reflektiranja dolaznih svjetlosnih zraka putem velikog primarnog zrcala koje fokusira tu svjetlost na točku, a zatim se raščlanjuje na podatke i bilježi ili upotrebljava za izgradnju slike. Ovaj specifični dijagram ilustrira put svjetlosti za Herschel-Lomonosov sustav teleskopa. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK EUDJINNIUS)

Za jedan teleskop sve je relativno jednostavno. Svjetlost dolazi kao niz paralelnih zraka, a sve potiču iz istog udaljenog izvora. Svjetlo udara u primarno ogledalo teleskopa i usredotočuje se na jednu točku. Ako stavite dodatno ogledalo (ili skup ogledala) uz put svjetla, oni neće promijeniti tu priču; oni se jednostavno promijene tamo gdje se ta svjetlost previja i konvertira se u točku.

Sve te zrake svjetla dođu do te konačne točke u isto vrijeme, gdje ih se tada može kombinirati u sliku ili spremiti kao neobrađeni podaci, da bi se kasnije obradili u sliku. To je ultra osnovna verzija teleskopa: svjetlost stiže iz izvora, usredotočuje se u malo područje i snima.

Mali dio Karl Jansky vrlo velikog niza, jednog od najvećih i najsnažnijih nizova radio-teleskopa na svijetu. Ako pojedinačna jela nisu pravilno sinkronizirana zajedno, ona neće postići veću razlučivost od jednog jela. (JOHN FOWLER)

Ali što ako nemate jedan teleskop, već više teleskopa koji su umreženi u neku vrstu niza? Možda ćete pomisliti da biste jednostavno mogli riješiti problem na sličan način i usmjeriti svjetlost iz svakog teleskopa na način na koji biste to učinili za jednoslojni teleskop. Svjetlost bi i dalje stizala u paralelne zrake; svako primarno zrcalo još bi usmjerilo tu svjetlost do jedne točke; zrake svakog teleskopa u isto vrijeme stižu do krajnje točke; svi ti podaci mogu se tada prikupiti i pohraniti.

Mogli biste, naravno. Ali to bi vam dalo samo dvije neovisne slike. Možete ih kombinirati, ali to bi značilo samo prosječne podatke. Bilo bi kao da ste promatrali cilj jednim teleskopom u dva različita vremena i zajedno dodavali podatke.

Kad se dovrši, kvadratni kilometarski niz sastojat će se od niza tisuća radijskih teleskopa koji će moći vidjeti dalje u svemir nego bilo koji opservatorij koji je mjerio bilo koji tip zvijezde ili galaksije. (URED ZA RAZVOJ PROJEKTA I PROIZVODNJE ASTRONOMIJE SWINBURNE)

To vam ne pomaže u vašem velikom problemu, a to je da vam je potrebna kritična poboljšana razlučivost koja dolazi s korištenjem mreže teleskopa povezanih s VLBI. Kada uspješno povežete više teleskopa zajedno s VLBI tehnikom, on vam može dati sliku koja ima snagu prikupljanja svjetlosti pojedinih posuda u teleskopu, ali (optimalno) s razmakom udaljenosti između posuda s teleskopom.

Ova se tehnika često korisno koristi, ne samo za snimanje crne rupe, pa čak ni samo radijskim teleskopima. Zapravo, možda najspektakularniji primjer VLBI koristio je Veliki dvogledni teleskop, koji ima dva 8-metarska teleskopa koja su montirana zajedno, ponašajući se u razlučivosti od 23 metra teleskop. Kao rezultat toga, može riješiti značajke koje nijedno posuđe od 8 metara ne može poput erupcije vulkana na Iju dok doživljava pomračenje iz drugih Jupiterovih mjeseci.

Okultacija Jupiterovog mjeseca, Io, s erupcijama vulkana Loki i Pele, okultivirana Europom, što je nevidljivo na ovoj infracrvenoj slici. Veliki dvogledni teleskop uspio je to zahvaljujući tehnici interferometrije. (LBTO)

Ključ za otključavanje ove vrste snage jest to što morate biti u mogućnosti sastaviti svoja zapažanja u istim trenucima. Svjetlosni signali koji dolaze u teleskopima dolaze nakon nešto različitog vremena putovanja svjetlosti, zbog različitih udaljenosti, brzinom svjetlosti, da preuzme signal da putuje od izvora objekta do različitih detektora / teleskopa na Zemlja.

Morate znati vrijeme dolaska signala na različite lokacije teleskopa širom svijeta kako biste ih mogli kombinirati u jednu sliku. Samo kombiniranjem podataka koji odgovaraju istodobnom gledanju istog izvora možemo postići maksimalnu razlučivost koju mreža teleskopa može ponuditi.

Ovaj dijagram prikazuje mjesto svih teleskopa i teleskopskih nizova korištenih u promatranjima M87 za horizont događaja 2017. godine. Jedino teleskop Južnog pola nije mogao 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 uređajima. (NRAO)

Način na koji to radimo, praktično je korištenjem atomskog sata. Na svakom od 8 lokacija diljem svijeta na kojima teleskopski događaj Horizon uzima podatke je atomski sat, koji nam omogućuje zadržavanje vremena na preciznosti od nekoliko attosekundi (10 ^ -18 s). Također je bilo potrebno instalirati specijaliziranu računsku opremu (kako hardversku, tako i softversku) kako bi se opažanja mogla povezati i sinkronizirati između različitih postaja širom svijeta.

Morate istovremeno promatrati isti objekt s istom frekvencijom, sve dok ispravljate stvari poput atmosferske buke ispravno kalibriranim teleskopom. To je zahtjevan zadatak koji zahtijeva ogromnu preciznost. Ali kad stignete tamo, isplata je zapanjujuća.

Protoplanetarni disk oko mlade zvijezde, HL Tauri, kako je fotografirao ALMA. Praznine u disku ukazuju na prisutnost novih planeta. Ovaj je sustav star već stotinama milijuna godina, a planete tamo vjerojatno se približavaju posljednjim fazama i orbitama. Ova je rezolucija moguća samo zahvaljujući upotrebi VLBI od strane ALMA. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Gornja slika može izgledati kao da nema nikakve crne rupe, ali zapravo je jedna od najpoznatijih slika s najmoćnijeg niza radio-teleskopa vani: ALMA. ALMA je kratica za veliki milimetar / submilimetrski niz Atacama, a sastoji se od 66 neovisnih radio posuđa, koji se mogu prilagoditi tako da budu udaljeni od 150 metara sve do 16 kilometara.

Snaga sakupljanja svjetla upravo se određuje na površini svakog pojedinog jela koje se dodaje; to se ne mijenja. Ali razlučivost koju može postići određuje se na udaljenosti između posuđa. Na taj način može postići rezolucije sve do samo nekoliko mili-sekundi, ili rezolucije od 1 / 300.000. Stupnja.

Veliki milimetar / submilimetarski niz Atacama (ALMA) neki su od najmoćnijih radio teleskopa na Zemlji. Ovi teleskopi mogu mjeriti dugovječne potpise atoma, molekula i iona koji su nepristupačni teleskopom manje valne duljine poput Hubblea, ali također mogu mjeriti detalje protoplanetarnih sustava i, potencijalno, čak i vanzemaljske signale koje čak ni infracrveni teleskopi ne mogu vidjeti. Bio je to najvažniji dodatak Event Horizon teleskopu. (ESO / C. MALIN)

No koliko god impresivan bio ALMA, teleskop Event Horizon ide još dalje. Sa osnovnim linijama između postaja koje se približavaju promjeru Zemlje - više od 10 000 km - može rješavati predmete malene oko 15 mikro-lučnih sekundi. Ovo nevjerojatno poboljšanje razlučivosti omogućilo mu je da se vidi horizont događaja crne rupe (koja iznosi 42 mikro-luka-sekunde) u središtu galaksije M87.

Ključno za dobivanje te slike i općenito za obavljanje ovih opažanja visoke rezolucije je sinkronizirati svaki od teleskopa s opažanjima koja su apsolutno slučajna u vremenu. Da bi se to ostvarilo jednostavno je konceptualno, ali je bila potrebna monumentalna inovacija da bi se ovo ostvarilo.

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 ispravnoj sinkronizaciji opažanja. (JAVNI DOMEN / WIKIPEDIA USER RNT20)

Do ključnog napretka došlo je 1958. godine, kada je znanstvenik Roger Jennison napisao sada poznati članak: Interferometrijska tehnika osjetljiva na fazu za mjerenje Fourierovih transformacija prostorne distribucije svjetline malog uglatog opsega. Zvuči poput usta, ali evo kako to možete razumjeti na jednostavan način.

  1. Zamislite da imate tri antene (ili radio-teleskope) sve spojene i razdvojene određenim udaljenostima.
  2. Te će antene primiti signale iz udaljenog izvora, gdje se mogu izračunati relativna vremena dolaska različitih signala.
  3. Ako kombinirate različite signale zajedno, oni će se miješati, kako zbog stvarnih učinaka, tako i zbog pogrešaka.
  4. Ono što je Jennison pionirala - i što se i danas koristi u obliku samokalibracije - bila je tehnika ispravnog kombiniranja stvarnih efekata i zanemarivanja pogrešaka.

To je danas poznato kao sinteza otvora, a osnovni princip ostao je isti više od 60 godina.

U travnju 2017. svih 8 teleskopa / teleskopskih nizova povezanih s teleskopom Event Horizon usmjereno je na Messier 87. Tako izgleda supermasivna crna rupa na kojoj se jasno vidi vidik događaja. Samo kroz VLBI mogli smo postići rezoluciju potrebnu za izgradnju takve slike. (DOGAĐAJ HORIZONSKIM TELESKOPOM SURADNJA ET AL.)

Ono što je fantastično u ovoj tehnici je da se ona uopće može primijeniti na bilo koji raspon valnih duljina. Trenutno, teleskop teleskop Event Horizon mjeri radio valove određene frekvencije, ali bi teoretski mogao raditi frekvencijom između tri i pet puta veću. Budući da razlučivost vašeg teleskopa ovisi o tome koliko valova može stati na promjer (ili osnovnu liniju) vašeg teleskopa, prelazak na veće frekvencije pretvara se u kraće valne duljine i veće razlučivosti. Mogli bismo dobiti pet puta veću razlučivost bez potrebe za stvaranjem jednog novog jela.

Prva crna rupa je upravo stigla prije nekoliko dana, ali već gledamo u budućnost. Prvi horizont događaja je stvarno tek početak. Pored toga, teleskop Event Horizon trebao bi jednog dana biti u stanju riješiti značajke udaljenih blazara i drugih svijetlih radio izvora, omogućujući nam da ih razumijemo kao nikada do sada. Dobrodošli u svijet VLBI, gdje, ako želite teleskop veće rezolucije, trebate premjestiti one koji su udaljeniji!

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 i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.