Das Allen Telescope Array ist möglicherweise in der Lage, ein starkes Funksignal von Proxima b oder einem anderen Sternensystem mit ausreichend starken Funkübertragungen zu erfassen. Es hat erfolgreich mit anderen Radioteleskopen über extrem lange Basislinien hinweg zusammengearbeitet, um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs aufzulösen: wohl seine Krönung. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Fragen Sie Ethan: Wie verhält sich das Event Horizon Telescope 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: Ideal ist es, ein möglichst großes Teleskop zu bauen. 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 bescheidener Teleskope: dem Event Horizon Telescope. 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 entscheidend 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 in der Anordnung befinden.

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

Die Helligkeitsentfernungsbeziehung und wie der Fluss von einer Lichtquelle über die Entfernung im Quadrat als Eins 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 durch Energieeinsparung gefordert wird. Beachten Sie, dass sich das Licht auch beim Verlassen der Quelle im Bereich ausbreitet. (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 emittierte Licht beim Verlassen der Quelle in einer Kugel aus. Wenn alles, was Sie hatten, ein Fotodetektor war, der ein einzelner Punkt war, könnten Sie immer noch dieses entfernte, lichtemittierende Objekt erkennen.

Aber Sie würden es nicht lösen können.

Wenn Licht (dh ein Photon) auf Ihren punktförmigen Detektor trifft, können Sie registrieren, dass das Licht angekommen ist. Sie können die Energie und Wellenlänge des Lichts messen. Sie können wissen, aus welcher Richtung das Licht kam. Aber Sie könnten nichts über die physikalischen Eigenschaften dieses Objekts wissen. Sie würden seine Größe, Form, physische Ausdehnung oder ob verschiedene Teile unterschiedliche Farben oder Helligkeiten hatten, nicht kennen. Dies liegt daran, dass Sie Informationen nur an einem einzigen Punkt erhalten.

Der Nebel NGC 246 ist wegen seiner zwei leuchtenden Augen besser als Schädelnebel bekannt. Das zentrale Auge ist eigentlich ein Paar von Doppelsternen, und das kleinere, schwächere ist für den Nebel selbst verantwortlich, da er 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 aufgelöst werden können, abhängig von der Größe des Teleskops und der Anzahl der Wellenlängen des Lichts, die über seinen Primärspiegel passen. (GEMINI SOUTH GMOS, TRAVIS RECTOR (UNIV. ALASKA))

Was würde es brauchen, um zu wissen, ob Sie einen einzelnen Lichtpunkt wie einen Stern wie unsere Sonne oder mehrere Lichtpunkte betrachten, wie Sie sie in einem Doppelsternsystem finden würden? Dafür müssten Sie an mehreren Stellen Licht empfangen. Anstelle eines punktförmigen Detektors könnten Sie auch einen schalenartigen Detektor verwenden, wie den Primärspiegel eines reflektierenden Teleskops.

Wenn das Licht hereinkommt, trifft es nicht mehr auf einen Punkt, sondern auf einen Bereich. Das Licht, das sich in einer Kugel ausgebreitet hatte, wird jetzt vom Spiegel reflektiert und auf einen Punkt fokussiert. Und Licht, das von zwei verschiedenen Quellen kommt, selbst wenn sie nahe beieinander liegen, wird auf zwei verschiedene Orte fokussiert.

Jedes reflektierende Teleskop basiert auf dem Prinzip, einfallende Lichtstrahlen über einen großen Primärspiegel zu reflektieren, der das Licht auf einen Punkt fokussiert, an dem 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 verschiedenen Quellen das Licht auf zwei verschiedene Orte (blaue und grüne Pfade) fokussiert wird, jedoch nur, wenn das Teleskop über ausreichende Funktionen verfügt. (WIKIMEDIA GEMEINSAMER BENUTZER 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 Ihren Apparat richtig bauen, können Sie feststellen, dass es mehrere Objekte gibt. Die beiden Lichtquellen scheinen sich voneinander zu unterscheiden. Technisch gibt es 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, alles aufzulösen, was Sie betrachten. Dies erschwert die Entscheidung, ob mehrere Objekte vorhanden sind oder nicht oder ob das angezeigte Objekt über Hell-Dunkel-Funktionen verfügt. Wenn Ihre Auflösung nicht ausreicht, erscheint alles als nichts anderes als ein verschwommener, ungelöster einzelner Punkt.

Die Auflösungsgrenzen werden durch drei Faktoren bestimmt: den Durchmesser Ihres Teleskops, die Wellenlänge des Lichts, in dem Sie sehen, und die 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 Einzelschalenteleskops. Das Licht kommt von der Quelle herein, wobei jeder Punkt im Raum - sogar verschiedene Punkte, die vom selben Objekt stammen - sein eigenes Licht mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften emittiert. 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. Es können heiße und kalte Regionen eines Sterns wie Sonnenflecken auftreten. Wir können Merkmale wie Vulkane, Geysire, Eiskappen und Becken auf Planeten und Monden erkennen. Das Ausmaß des lichtemittierenden Gases oder Plasmas sowie deren Temperaturen und Dichten können ebenfalls abgebildet werden. Es ist eine fantastische Leistung, die nur von den physikalischen und optischen Eigenschaften Ihres Teleskops abhängt.

Das zweitgrößte Schwarze Loch von der Erde aus gesehen, das im Zentrum der Galaxie M87, ist hier in drei Ansichten dargestellt. Oben ist optisch von Hubble, unten links ist Radio von NRAO und unten rechts ist Röntgen 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 eine hervorragende Auflösung, obwohl sie einen effektiven Spiegel mit einem Durchmesser von 20 cm (8 Zoll) aufweisen, da die beobachteten Röntgenstrahlen extrem kurzwellig sind. (TOP, OPTISCH, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; UNTER LINKS, RADIO, NRAO / SEHR GROSSER ARRAY (VLA); UNTER RECHTS, RÖNTGENSTRAHL, NASA / CHANDRA-RÖNTGEN-TELESKOP)

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

  1. Je größer Ihr Teleskop ist, desto besser ist Ihre Auflösung, basierend auf der Anzahl der Wellenlängen des Lichts, die über Ihren Primärspiegel passen.
  2. Je größer die Sammelfläche Ihres Teleskops ist, desto mehr Licht können Sie sammeln. Dies bedeutet, dass Sie schwächere Objekte und feinere Details beobachten können als mit einem Teleskop mit geringerer Fläche.

Wenn Sie Ihren großen Teleskopspiegel nehmen und einige Stellen abdunkeln würden - als würden Sie eine Maske auf Ihren Spiegel auftragen -, könnten Sie kein Licht mehr von diesen Orten empfangen. Infolgedessen würden sich die Helligkeitsgrenzen für das, was Sie sehen könnten, proportional zur Oberfläche (Lichtsammelfläche) Ihres Teleskops verringern. Die Auflösung wäre jedoch immer noch gleich der Trennung zwischen den verschiedenen Teilen des Spiegels.

Meteor, fotografiert über dem Atacama Large Millimeter / Sub-Millimeter Array, 2014. ALMA ist möglicherweise das fortschrittlichste und komplexeste Array von Radioteleskopen der Welt, kann beispiellose Details in protoplanetaren Scheiben abbilden und ist auch ein wesentlicher Bestandteil von das Event Horizon Telescope. (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 Einzelschale verbunden ist.

Stattdessen können Sie eine Reihe von Gerichten zusammenstellen. Da sich das Licht einer entfernten Quelle ausbreitet, möchten Sie Licht über einen möglichst großen Bereich sammeln. Sie müssen nicht alle Ressourcen in den Bau eines riesigen Gerichts mit höchster Lichtsammelkraft investieren, aber Sie benötigen immer noch dieselbe überlegene Auflösung. Und daher kommt die Idee, ein riesiges Array von Radioteleskopen einzusetzen. Mit einer Reihe von Teleskopen auf der ganzen Welt können wir einige der hellsten, aber kleinsten Objekte mit Winkelgröße auflösen.

Dieses Diagramm zeigt die Position aller Teleskope und Teleskoparrays, die in den Event Horizon Telescope-Beobachtungen 2017 von M87 verwendet wurden. Nur das Südpol-Teleskop konnte M87 nicht abbilden, da es sich im 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 gibt es keinen Unterschied zwischen dem Nachdenken über die folgenden beiden 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 Weltraum bis zu Ihrer maximalen Auflösung zeigt.
  2. Das Event Horizon Telescope ist selbst eine Anordnung vieler verschiedener Einzelteleskope und einzelner Teleskopanordnungen. Das Licht wird gesammelt, mit einer Atomuhr (zu Synchronisierungszwecken) mit einem Zeitstempel versehen und an jedem einzelnen Standort als Daten aufgezeichnet. Diese Daten werden dann entsprechend zusammengefügt und verarbeitet, um ein Bild zu erstellen, das die Helligkeiten und 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 des 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 Wissenschaftler die Synchronisation der Beobachtungen korrekt durchführen können. (PUBLIC DOMAIN / WIKIPEDIA USER RNT20)

Sie könnten sofort an wilde Ideen denken, wie das Starten eines Radioteleskops in den Weltraum und dessen Verwendung, vernetzt mit den Teleskopen auf der Erde, um Ihre Basislinie zu erweitern. Es ist ein großartiger Plan, aber Sie müssen verstehen, dass es einen Grund gibt, warum wir nicht nur das Event Horizon Telescope 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. Das ist natürlich in einer Welt mit Kontinenten und Ozeanen, Städten und Nationen und anderen Grenzen, Grenzen und Zwängen nicht machbar. 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 Event Horizon Telescope erreichte Auflösungen von 22,5 Mikrosekunden, sodass das Array den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs in der Mitte von M87 auflösen konnte. Ein Einzelschalenteleskop müsste einen Durchmesser von 12.000 km haben, um die gleiche Schärfe zu erzielen. Beachten Sie die unterschiedlichen Erscheinungsbilder zwischen den Bildern vom 5./6. April und den Bildern vom 10./11. April, die zeigen, dass sich die Merkmale um das Schwarze Loch im Laufe der Zeit ändern. Dies zeigt, wie wichtig es ist, die verschiedenen Beobachtungen zu synchronisieren, anstatt sie nur zeitlich zu mitteln. (EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION)

Derzeit ist das Event Horizon Telescope auf die Erde beschränkt, auf die Schalen, 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 möglicherweise drei- bis fünfmal so scharf sehen, ohne ein einziges neues Gericht zu benötigen.

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

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

Das Event Horizon Telescope verhält sich aufgrund der unglaublichen Fortschritte bei den von uns verwendeten Techniken und der zunehmenden Rechenleistung und neuartigen Algorithmen, die es uns ermöglichen, diese Daten zu einem einzigen Bild zu synthetisieren, wie ein einzelnes Teleskop. Es ist keine leichte Aufgabe, und ein Team von über 100 Wissenschaftlern hat viele Jahre 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, die sich alle ausbreiten und alle an den verschiedenen Teleskopen in der Anordnung ankommen. Es ist, als ob sie an verschiedenen Orten entlang eines extrem großen Spiegels ankommen. Der Schlüssel liegt darin, wie wir diese Daten zusammen synthetisieren und daraus ein Bild dessen rekonstruieren, was tatsächlich passiert.

Nachdem das Event Horizon Telescope-Team genau das erfolgreich getan hat, ist es an der Zeit, das nächste Ziel im Visier zu haben: 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 Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

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