Das Allen Telescope Array kann möglicherweise ein starkes Funksignal von Proxima b oder einem anderen Sternsystem mit ausreichender Funkübertragung erkennen. Es hat erfolgreich mit anderen Radioteleskopen über extrem lange Basislinien hinweg zusammengearbeitet, um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs aufzulösen: wohl die Krönung seiner Leistung. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Fragen Sie Ethan: Wie verhält sich das Ereignishorizont-Teleskop wie ein riesiger Spiegel?

Es besteht aus Dutzenden von Teleskopen an vielen verschiedenen Orten auf der ganzen Welt. Aber es wirkt wie ein einziges Riesenteleskop. Hier ist wie.

Wenn Sie das Universum tiefer und mit höherer Auflösung als je zuvor beobachten möchten, gibt es eine Taktik, der sich alle einig sind: Bauen Sie ein möglichst großes Teleskop. Das Bild mit der höchsten Auflösung, das wir jemals in der Astronomie erstellt haben, stammt jedoch nicht vom größten Teleskop, sondern von einer enormen Anzahl von Teleskopen mit bescheidener Größe: dem Event Horizon Teleskop. Wie ist das möglich? Das möchte unser Ask Ethan-Fragesteller für diese Woche, Dieter, wissen und erklärt:

Ich habe Schwierigkeiten zu verstehen, warum das EHT-Array als EIN Teleskop betrachtet wird (das den Durchmesser der Erde hat).
Wenn Sie das EHT als EIN Radioteleskop betrachten, verstehe ich, dass die Winkelauflösung aufgrund der Wellenlänge des eingehenden Signals und des Erddurchmessers sehr hoch ist. Ich verstehe auch, dass die Zeitsynchronisierung von entscheidender Bedeutung ist.
Es wäre jedoch sehr hilfreich zu erklären, warum der Durchmesser des EHT als EIN Teleskop betrachtet wird, wenn man bedenkt, dass sich etwa 10 einzelne Teleskope im Array befinden.

Die Erstellung eines Bildes des Schwarzen Lochs in der Mitte von M87 ist eine der bemerkenswertesten Errungenschaften, die wir jemals erzielt haben. Hier ist, was es möglich gemacht hat.

Die Helligkeitsentfernungsbeziehung und wie der Fluss von einer Lichtquelle als eins über die Entfernung im Quadrat abfällt. Die Erde hat die Temperatur, die sie aufgrund ihrer Entfernung von der Sonne hat, die bestimmt, wie viel Energie pro Flächeneinheit auf unseren Planeten fällt. Entfernte Sterne oder Galaxien haben die scheinbare Helligkeit, die sie aufgrund dieser Beziehung haben, die aus Gründen der Energieeinsparung erforderlich ist. Beachten Sie, dass sich das Licht auch im Bereich ausbreitet, wenn es die Quelle verlässt. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Das erste, was Sie verstehen müssen, ist, wie Licht funktioniert. Wenn Sie ein lichtemittierendes Objekt im Universum haben, breitet sich das Licht, das es aussendet, beim Verlassen der Quelle in einer Kugel aus. Wenn alles, was Sie hatten, ein Fotodetektor war, der ein einzelner Punkt war, konnten Sie immer noch das entfernte, lichtemittierende Objekt erkennen.

Aber Sie könnten es nicht lösen.

Wenn Licht (d. H. Ein Photon) auf Ihren punktförmigen Detektor trifft, können Sie feststellen, dass das Licht angekommen ist. Sie können die Energie und Wellenlänge des Lichts messen. Sie können wissen, aus welcher Richtung das Licht kam. Sie können jedoch nichts über die physikalischen Eigenschaften des Objekts wissen. Sie kennen weder Größe, Form, Ausdehnung noch die verschiedenen Teile mit unterschiedlichen Farben oder Helligkeiten. Dies liegt daran, dass Sie nur an einer Stelle Informationen erhalten.

Der Nebelfleck NGC 246 ist besser bekannt als der Schädel-Nebel, da er zwei leuchtende Augen hat. Das zentrale Auge ist eigentlich ein Paar Doppelsterne, und das kleinere, schwächere Auge ist für den Nebel selbst verantwortlich, da es seine äußeren Schichten abbläst. Es ist nur 1.600 Lichtjahre entfernt, im Sternbild Cetus. Um dies als mehr als ein einzelnes Objekt zu betrachten, müssen diese Merkmale abhängig von der Größe des Teleskops und der Anzahl der Lichtwellenlängen, die über den Primärspiegel passen, aufgelöst werden können. (GEMINI SÜDGVO, TRAVISREKTOR (UNIV. ALASKA))

Was würde es bedeuten, zu wissen, ob Sie einen einzelnen Lichtpunkt wie einen Stern wie unsere Sonne oder mehrere Lichtpunkte wie ein binäres Sternensystem betrachten? Dafür müssten Sie an mehreren Punkten Licht empfangen. Anstelle eines punktförmigen Detektors können Sie auch einen tellerförmigen Detektor verwenden, wie z. B. den Primärspiegel eines Spiegelteleskops.

Wenn das Licht hereinkommt, fällt es nicht mehr auf einen Punkt, sondern auf einen Bereich. Das Licht, das sich in einer Kugel ausgebreitet hatte, wird nun vom Spiegel reflektiert und auf einen Punkt fokussiert. Und Licht, das aus zwei verschiedenen Quellen stammt, wird, auch wenn diese nahe beieinander liegen, auf zwei verschiedene Orte fokussiert.

Jedes Spiegelteleskop basiert auf dem Prinzip, einfallende Lichtstrahlen über einen großen Primärspiegel zu reflektieren, der das Licht auf einen Punkt fokussiert, wo es entweder in Daten zerlegt und aufgezeichnet oder zur Erstellung eines Bildes verwendet wird. Dieses spezifische Diagramm zeigt die Lichtwege für ein Herschel-Lomonosov-Teleskopsystem. Beachten Sie, dass bei zwei unterschiedlichen Quellen das Licht auf zwei unterschiedliche Positionen (blaue und grüne Pfade) fokussiert wird, jedoch nur, wenn das Teleskop über ausreichende Funktionen verfügt. (WIKIMEDIA COMMONS USER EUDJINNIUS)

Wenn Ihr Teleskopspiegel im Vergleich zur Trennung der beiden Objekte groß genug ist und Ihre Optik gut genug ist, können Sie sie auflösen. Wenn Sie Ihr Gerät richtig bauen, können Sie feststellen, dass es mehrere Objekte gibt. Die beiden Lichtquellen scheinen sich zu unterscheiden. Technisch gesehen besteht eine Beziehung zwischen drei Größen:

  • die Winkelauflösung, die Sie erreichen können,
  • der Durchmesser Ihres Spiegels,
  • und die Wellenlänge des Lichts, in das Sie schauen.

Wenn Ihre Quellen näher beieinander liegen oder Ihr Teleskopspiegel kleiner ist oder Sie mit einer längeren Lichtwellenlänge schauen, wird es immer schwieriger, das aufzulösen, was Sie gerade betrachten. Dadurch wird es schwieriger, festzustellen, ob mehrere Objekte vorhanden sind oder ob das angezeigte Objekt Hell-Dunkel-Merkmale aufweist. Wenn Ihre Auflösung nicht ausreicht, erscheint alles nur als verschwommener, ungelöster einzelner Punkt.

Die Auflösungsgrenzen werden von drei Faktoren bestimmt: dem Durchmesser Ihres Teleskops, der Wellenlänge des Lichts, in das Sie sehen, und der Qualität Ihrer Optik. Wenn Sie eine perfekte Optik haben, können Sie bis zur Rayleigh-Grenze auflösen, wodurch Sie die höchstmögliche Auflösung erhalten, die die Physik zulässt. (SPENCER BLIVEN / PUBLIC DOMAIN)

Das sind also die Grundlagen für die Funktionsweise eines großen Einschüsselteleskops. Das Licht kommt von der Quelle, und jeder Punkt im Raum - auch verschiedene Punkte, die vom selben Objekt ausgehen - strahlt sein eigenes Licht mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften aus. Die Auflösung wird durch die Anzahl der Wellenlängen des Lichts bestimmt, die über unseren Primärspiegel passen können.

Wenn unsere Detektoren empfindlich genug sind, können wir alle möglichen Merkmale eines Objekts auflösen. Heiße und kalte Regionen eines Sterns, wie Sonnenflecken, können auftreten. Wir können Merkmale wie Vulkane, Geysire, Eiskappen und Becken auf Planeten und Monden ausmachen. Das Ausmaß des lichtemittierenden Gases oder Plasmas sowie seine Temperaturen und Dichten können ebenfalls abgebildet werden. Es ist eine fantastische Leistung, die nur von den physikalischen und optischen Eigenschaften Ihres Teleskops abhängt.

Das von der Erde aus gesehen zweitgrößte Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 ist hier in drei Ansichten dargestellt. Oben ist das optische Signal von Hubble zu sehen, unten links das Radio von NRAO und unten rechts das Röntgenbild von Chandra. Diese unterschiedlichen Ansichten haben unterschiedliche Auflösungen, abhängig von der optischen Empfindlichkeit, der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der Größe der Teleskopspiegel, mit denen sie beobachtet werden. Die Chandra-Röntgenbeobachtungen bieten trotz eines effektiven Spiegels mit einem Durchmesser von 20 cm (8 Zoll) eine hervorragende Auflösung, da die beobachteten Röntgenstrahlen extrem kurzwellig sind. (OBEN, OPTISCH, HUBBLE SPACE TELESKOP / NASA / WIKISKY; UNTEN LINKS, RADIO, NRAO / SEHR GROSSES ARRAY (VLA); UNTEN RECHTS, RÖNTGENSTRAHL, NASA / CHANDRA RÖNTGENSTRAHL TELESKOP)

Aber vielleicht brauchen Sie nicht das gesamte Teleskop. Der Bau eines Riesenteleskops ist teuer und ressourcenintensiv und dient eigentlich zwei Zwecken, um sie so groß zu bauen.

  1. Je größer Ihr Teleskop ist, desto besser ist Ihre Auflösung, basierend auf der Anzahl der Lichtwellenlängen, die über Ihren Primärspiegel passen.
  2. Je größer der Sammelbereich Ihres Teleskops ist, desto mehr Licht können Sie sammeln, was bedeutet, dass Sie schwächere Objekte und feinere Details beobachten können als mit einem Teleskop mit geringerem Bereich.

Wenn Sie Ihren großen Teleskopspiegel mitgenommen und einige Stellen abgedunkelt haben - wie Sie eine Maske auf Ihren Spiegel aufgebracht haben -, können Sie von diesen Stellen kein Licht mehr empfangen. Infolgedessen würden die Helligkeitsgrenzen für das, was Sie sehen könnten, proportional zur Oberfläche (Lichtsammelfläche) Ihres Teleskops abnehmen. Die Auflösung wäre jedoch immer noch gleich dem Abstand zwischen den verschiedenen Teilen des Spiegels.

Meteor, fotografiert über dem Atacama Large Millimeter / Sub Millimeter Array, 2014. ALMA ist das vielleicht fortschrittlichste und komplexeste Array von Radioteleskopen der Welt, kann beispiellose Details in protoplanetarischen Scheiben abbilden und ist auch ein wesentlicher Bestandteil von das Ereignishorizont-Teleskop. (ESO / C. MALIN)

Dies ist das Prinzip, auf dem Arrays von Teleskopen basieren. Es gibt viele Quellen, insbesondere im Radiobereich des Spektrums, die extrem hell sind, sodass Sie nicht den gesamten Sammelbereich benötigen, der mit dem Bau einer riesigen, einzelnen Schüssel verbunden ist.

Stattdessen können Sie eine Reihe von Gerichten bauen. Da sich das Licht von einer entfernten Quelle ausbreitet, möchten Sie das Licht auf einer möglichst großen Fläche sammeln. Sie müssen nicht all Ihre Ressourcen in die Konstruktion einer riesigen Schüssel mit höchster Lichtsammelkraft investieren, aber Sie benötigen immer noch dieselbe überlegene Auflösung. Und hier kommt die Idee, eine riesige Anzahl von Radioteleskopen zu verwenden. Mit einer Reihe von Teleskopen auf der ganzen Welt können wir einige der hellsten, aber kleinsten Objekte mit eckiger Größe auflösen.

Dieses Diagramm zeigt die Position aller Teleskope und Teleskop-Arrays, die bei den 2017 Event Horizon Telescope-Beobachtungen von M87 verwendet wurden. Nur das Südpol-Teleskop konnte M87 nicht abbilden, da es sich auf dem falschen Teil der Erde befindet, um jemals das Zentrum dieser Galaxie zu sehen. Jeder dieser Standorte ist unter anderem mit einer Atomuhr ausgestattet. (NRAO)

Funktionell besteht kein Unterschied zwischen den beiden folgenden Szenarien.

  1. Das Event Horizon Telescope ist ein einzelner Spiegel mit viel Klebeband über Teilen davon. Das Licht wird von all diesen unterschiedlichen Orten auf der Erde zu einem einzigen Punkt gesammelt und fokussiert und dann zu einem Bild zusammengefasst, das die unterschiedlichen Helligkeiten und Eigenschaften Ihres Ziels im Raum bis zu Ihrer maximalen Auflösung zeigt.
  2. Das Event Horizon Telescope ist selbst ein Array aus vielen verschiedenen Einzelteleskopen und Einzelteleskoparrays. Das Licht wird gesammelt, mit einer Atomuhr zeitgestempelt (zu Synchronisationszwecken) und an jedem einzelnen Ort als Daten aufgezeichnet. Diese Daten werden dann in geeigneter Weise zusammengefügt und verarbeitet, um ein Bild zu erstellen, das die Helligkeit und die Eigenschaften von allem zeigt, was Sie im Raum betrachten.

Der einzige Unterschied besteht in den Techniken, die Sie verwenden müssen, um dies zu erreichen. Deshalb haben wir die Wissenschaft der VLBI: Interferometrie mit sehr langer Basislinie.

In VLBI werden die Funksignale an jedem der einzelnen Teleskope aufgezeichnet, bevor sie an einen zentralen Ort gesendet werden. Jeder empfangene Datenpunkt ist neben den Daten mit einer äußerst genauen hochfrequenten Atomuhr versehen, damit die Wissenschaftler die Beobachtungen korrekt synchronisieren können. (PUBLIC DOMAIN / WIKIPEDIA USER RNT20)

Sie könnten sofort über wilde Ideen nachdenken, wie das Abfeuern eines Radioteleskops in den Weltraum und dessen Nutzung, vernetzt mit den Teleskopen auf der Erde, um Ihre Basislinie zu verlängern. Es ist ein großartiger Plan, aber Sie müssen verstehen, dass es einen Grund dafür gibt, dass wir das Event Horizon-Teleskop nicht nur mit zwei gut getrennten Standorten gebaut haben: Wir wollen diese unglaubliche Auflösung in alle Richtungen.

Wir möchten eine vollständige zweidimensionale Abdeckung des Himmels erhalten, was bedeutet, dass wir unsere Teleskope idealerweise in einem großen Ring angeordnet haben, um diese enormen Abstände zu erzielen. In einer Welt mit Kontinenten und Ozeanen, Städten und Nationen und anderen Grenzen, Grenzen und Zwängen ist das natürlich nicht machbar. Aber mit acht unabhängigen Standorten auf der ganzen Welt (von denen sieben für das M87-Image nützlich waren) konnten wir unglaublich gute Ergebnisse erzielen.

Das erste veröffentlichte Bild des Ereignishorizont-Teleskops erreichte eine Auflösung von 22,5 Mikrosekunden, sodass das Array den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs in der Mitte von M87 auflösen konnte. Ein Single-Dish-Teleskop müsste einen Durchmesser von 12.000 km haben, um die gleiche Schärfe zu erzielen. Beachten Sie die unterschiedlichen Darstellungen zwischen den Bildern vom 5./6. April und den Bildern vom 10./11. April, die zeigen, dass sich die Merkmale um das Schwarze Loch mit der Zeit ändern. Dies zeigt, wie wichtig es ist, die verschiedenen Beobachtungen zu synchronisieren, anstatt sie nur zeitlich zu mitteln. (EVENT HORIZON TELESKOP-ZUSAMMENARBEIT)

Derzeit ist das Event Horizon-Teleskop auf die Erde beschränkt, auf die Gerichte, die derzeit miteinander vernetzt sind, und auf die bestimmten Wellenlängen, die es messen kann. Wenn es modifiziert werden könnte, um bei kürzeren Wellenlängen zu beobachten, und die atmosphärische Opazität bei diesen Wellenlängen überwinden könnte, könnten wir mit derselben Ausrüstung höhere Auflösungen erzielen. Im Prinzip können wir Merkmale drei- bis fünfmal so scharf sehen, ohne dass ein einziges neues Gericht benötigt wird.

Durch diese gleichzeitigen Beobachtungen auf der ganzen Welt verhält sich das Event Horizon-Teleskop tatsächlich wie ein einziges Teleskop. Es wird nur die Lichtsammelkraft der einzelnen Gerichte addiert, es wird jedoch die Auflösung des Abstands zwischen den Gerichten in der Richtung erreicht, in der die Gerichte getrennt werden.

Indem wir den Erddurchmesser mit vielen verschiedenen Teleskopen (oder Teleskoparrays) gleichzeitig überspannen, konnten wir die Daten erhalten, die zur Auflösung des Ereignishorizonts erforderlich sind.

Das Event Horizon Telescope verhält sich wie ein einzelnes Teleskop, da die von uns verwendeten Techniken unglaublich weit fortgeschritten sind und die Rechenleistung zunimmt und neuartige Algorithmen es uns ermöglichen, diese Daten zu einem einzelnen Bild zusammenzusetzen. Es ist keine leichte Aufgabe und ein Team von über 100 Wissenschaftlern hat jahrelang daran gearbeitet, dies zu erreichen.

Optisch sind die Prinzipien jedoch dieselben wie bei der Verwendung eines einzelnen Spiegels. Wir haben Licht von verschiedenen Stellen auf einer einzigen Quelle, das sich alle ausbreitet und zu den verschiedenen Teleskopen in der Anordnung gelangt. Es ist, als ob sie an verschiedenen Orten entlang eines extrem großen Spiegels ankommen. Der Schlüssel liegt darin, wie wir diese Daten zusammenfügen und daraus ein Bild des tatsächlichen Geschehens rekonstruieren.

Nachdem das Event Horizon Telescope-Team genau das erfolgreich getan hat, ist es an der Zeit, das nächste Ziel im Auge zu behalten: so viel wie möglich über jedes Schwarze Loch zu lernen, das wir sehen können. Wie Sie alle kann ich es kaum erwarten.

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.