Когда астрономы говорят об оптическом телескопе, они часто упоминают размер его зеркала. Это потому, что чем больше ваше зеркало, тем острее может быть ваш взгляд на небеса. Это известно как разрешающая способность, и это происходит из-за свойства света, известного как дифракция. Когда свет проходит через отверстие, такое как отверстие телескопа, он имеет тенденцию распространяться или рассеиваться. Чем меньше отверстие, тем больше света распространяется, делая изображение более размытым. Вот почему большие телескопы могут захватывать более четкое изображение, чем маленькие.
Дифракция зависит не только от размера вашего телескопа, она также зависит от длины волны света, которую вы наблюдаете. Чем длиннее длина волны, тем больше света рассеивается при заданном размере отверстия. Длина волны видимого света очень мала, длина составляет менее одной миллионной метра. Но у радио-света есть длина волны, которая в тысячу раз длиннее. Если вы хотите получать такие же четкие изображения, как на оптических телескопах, вам нужен радиотелескоп, который в тысячу раз больше оптического. К счастью, мы можем создавать такие радиотелескопы благодаря методике, известной как интерферометрия.
Чтобы построить радиотелескоп с высоким разрешением, вы не можете просто создать огромную радиоприемник. Вам понадобится блюдо шириной более 10 километров. Даже самая большая радиопередача, китайский телескоп FAST, имеет ширину всего 500 метров. Таким образом, вместо создания одного большого блюда, вы создаете десятки или сотни небольших блюд, которые могут работать вместе. Это немного похоже на использование только частей большого большого зеркала вместо всего этого. Если бы вы делали это с помощью оптического телескопа, ваше изображение было бы не таким ярким, но оно было бы почти таким же резким.
Но это не так просто, как собрать много маленьких антенн. В одном телескопе свет от удаленного объекта попадает в телескоп и фокусируется зеркалом или линзой на детектор. Свет, покинувший объект в одно и то же время, одновременно попадает на детектор, поэтому ваше изображение синхронизируется. Когда у вас есть набор радиоприемников, у каждого из которых есть собственный детектор, свет от вашего объекта достигнет одних антенных детекторов раньше, чем других. Если вы просто объедините все свои данные, вы получите беспорядок. Это где интерферометрия приходит.
Каждая антенна в вашем массиве наблюдает один и тот же объект, и, как они делают, они очень точно отмечают время наблюдения. Таким образом, у вас есть десятки или сотни потоков данных, каждый с уникальными временными метками. Из временных меток вы можете снова синхронизировать все данные. Если вы знаете, что блюдо B получает две микросекунды после блюда A, вы знаете, что сигнал B должен быть сдвинут вперед на 2 микросекунды для синхронизации.
Математика для этого становится действительно сложной. Чтобы интерферометрия работала, вы должны знать разницу во времени между каждой парой антенных антенн. Для 5 блюд это 15 пар. Но у VLA есть 27 активных блюд или 351 пара. ALMA имеет 66 блюд, что составляет 2145 пар. Мало того, что, поскольку Земля вращается, направление вашего объекта смещается относительно антенн, что означает, что время между сигналами изменяется, когда вы делаете наблюдения. Вы должны отслеживать все это, чтобы соотнести сигналы. Это делается с помощью специализированного суперкомпьютера, известного как коррелятор. Он специально предназначен для этого вычисления. Это коррелятор, который позволяет десяткам антенных антенн действовать как единый телескоп.
Потребовались десятилетия, чтобы усовершенствовать и улучшить радиоинтерферометрию, но он стал распространенным инструментом для радиоастрономии. С момента открытия VLA в 1980 году до первого освещения ALMA в 2013 году, интерферометрия дала нам необычайно высокое разрешение изображения. Эта техника теперь настолько мощна, что ее можно использовать для подключения телескопов по всему миру.
В 2009 году радиообсерватории по всему миру договорились о совместной работе над амбициозным проектом. Они использовали интерферометрию, чтобы объединить свои телескопы, чтобы создать виртуальный телескоп размером с планету. Он известен как телескоп Event Horizon, и в 2019 году он дал нам первое изображение черной дыры.
Благодаря командной работе и интерферометрии мы можем изучать один из самых загадочных и экстремальных объектов во вселенной.
