Телескоп Event Horizon создает изображение тени черной дыры благодаря точной координации всемирной сети телескопов. Вот как они это делают.
В апреле ученые порадовали мир, обнародовав изображение черной дыры в центре далекой галактики M87. Тень окружена светом горячего газа прямо за черной дырой, которая кружится вокруг невидимой красоты.
Чтобы создать это изображение, международная команда объединила наблюдения с радиотелескопов, разбросанных по всему миру, от Гавайских островов до Испании и от Аризоны до Чили. Телескопы наблюдали одновременно, эффективно выступая в качестве виртуальной тарелки размером с планету, давая им разрешающую способность, эквивалентную способности видеть атом водорода на расстоянии вытянутой руки.
Но как строится виртуальный телескоп?
Ответ - метод, называемый очень длинной базовой интерферометрией или VLBI. VLBI на самом деле не нова. Радиоастрономы используют его десятилетиями. Но никто прежде никогда не достигал VLBI с частотой, способной так потрясающе проникать в самое сокровенное место галактики.
Основной принцип интерферометрии заключается в следующем: взять два телескопа, отдаленных друг от друга на некоторое расстояние, и наблюдать объект одновременно с обоих телескопов. Свет исходит от объекта в виде волнового фронта, как рябь в пруду, созданном плесканием уток. Два телескопа будут захватывать немного разные части каждого волнового фронта. Примите во внимание эту задержку, затем аккуратно сложите данные вместе, и вы сможете измерить структуру объекта с помощью разрешения, которое вы получили бы с помощью телескопа, который является размером расстояния между двумя тарелками.
Но при наблюдении чего-либо со структурой в разных масштабах все становится сложнее - это похоже на стаю уток, прыгающих в пруду, их волны взаимодействуют и меняют рисунок сложным образом. Чтобы восстановить изображение, вам необходимо детальное понимание того, как радиоволны усиливают или подавляют друг друга, когда они путешествуют по тарелкам. Решение представляет собой набор телескопов на различном отдалении, которые позволяют смешивать и подбирать пары и обнаруживать элементы различных размеров и направлений. Вот почему телескоп Event Horizon - это не просто два телескопа на противоположных концах света: им нужно множество наблюдений за объектом с разных телескопов или базовых линий, чтобы заполнить изображение.
Анимации, представленные аспирантом Дэниелом Палумбо (Гарвард), показывают, как работает сеть VLBI телескопа Event Horizon. Слева - Земля, видимая черной дырой M87. Поскольку мир поворачивается, различные телескопы появляются в поле зрения. Каждый образует пару с другими, их базовые линии нарисованы красным.
Теперь посмотрите на правую панель. Этот график показывает расстояние между телескопами, деленное на наблюдаемую длину волны. Ось X - восток-запад; ось Y - север-юг. Чем дальше от нуля, тем больше разделение и, следовательно, более высокое разрешение. Нулевая точка в центре - это самая большая шкала, которую вы могли бы увидеть только с одним телескопом.
Каждая пара чаш телескопов изображает две точки на этом графике, потому что вы можете «прочитать» их расположение двумя способами - например, Чили в Испанию или Испанию в Чили. Когда Земля поворачивается, положение двух мест относительно друг друга, как видно из черной дыры, меняется: например, телескоп в Мексике пересекает большее расстояние слева направо по сравнению с теми, что в находится Чили. Это вращение изменяет как длину восток-запад / север-юг, так и ориентацию базовых линий, поэтому через точки со временем прокладываются дуги по всему графику.
То, насколько много из этого закрученного графика, называемого ультрафиолетовой плоскостью, заполнено, соообщает астрономам диапазон масштабов, которые может обнаружить их сеть VLBI. Если бы ультрафиолетовая плоскость была полностью залита красным, у нас было бы полное изображение. Это, однако, потребовало бы намного больше телескопов, чем у нас - EHT в основном использовал каждый радиотелескоп на планете, который мог наблюдать на 1,3 мм (230 ГГц), и здесь все еще много пустого пространства.
Вместо этого ученые используют сложные компьютерные алгоритмы, чтобы заполнить пробелы и восстановить изображение. Чтобы сделать это возможным, команда установила атомные часы на каждом телескопе. Устройства настолько надежны, что они потеряют всего 1 секунду за 10 миллионов лет. Эти часы отмечают наблюдения точными временными отметками. Затем исследователи отправляют жесткие диски с этими данными с метками времени обратно на свои суперкомпьютеры и объединяют или сопоставляют наблюдения многих телескопов, выравнивая их с точностью до триллионных долей секунды. Только тогда они могут начать восстанавливать изображение тени черной дыры.
