من المحتمل أن يكون Allen Telescope Array قادرًا على الكشف عن إشارة راديو قوية من Proxima b أو أي نظام نجمي آخر له قدرة إرسال راديو قوية بدرجة كافية. لقد نجحت في العمل بالتنسيق مع التلسكوبات الراديوية الأخرى عبر خطوط أساس طويلة للغاية لحل أفق الحدث لثقب أسود: يمكن القول إنه إنجازه المتوج. (ويكيميديا ​​كومونز / كولي جوتيريز كرايبيل)

اسأل إيثان: كيف يتصرف تلسكوب أفق الحدث مثل المرآة العملاقة؟

إنه مكون من عشرات التلسكوبات في العديد من المواقع المختلفة في جميع أنحاء العالم. لكنه يعمل مثل تلسكوب عملاق واحد. إليك الطريقة.

إذا كنت ترغب في مراقبة الكون بشكل أعمق وبدقة أعلى من أي وقت مضى ، فهناك تكتيك واحد يوافق عليه الجميع مثالي: بناء أكبر قدر ممكن من التلسكوب. لكن الصورة ذات الدقة العالية التي بنيناها على الإطلاق في علم الفلك لا تأتي من أكبر تلسكوب ، بل من مجموعة هائلة من التلسكوبات ذات الحجم المتواضع: تلسكوب الأحداث في الأفق. كيف يعقل ذلك؟ هذا ما يريد ديتر طرحه هذا الأسبوع ، ديتر ، أن يعرفه ، موضحًا:

أواجه صعوبة في فهم سبب اعتبار صفيف EHT بمثابة تلسكوب واحد (والذي يبلغ قطر الأرض).
عندما تفكر في EHT على أنه تلسكوب لاسلكي واحد ، فأنا أفهم أن الدقة الزاوية عالية جدًا بسبب الطول الموجي للإشارة الواردة وقطر الأرض. أفهم أيضًا أن مزامنة الوقت أمر بالغ الأهمية.
ولكن من المفيد جدًا توضيح سبب اعتبار قطر EHT بمثابة تلسكوب واحد ، مع الأخذ في الاعتبار وجود حوالي 10 مناظير فردية في الصفيف.

يعد إنشاء صورة للثقب الأسود في مركز M87 أحد أبرز الإنجازات التي حققناها على الإطلاق. إليك ما جعله ممكنًا.

علاقة مسافة السطوع ، وكيفية سقوط التدفق من مصدر الضوء كواحد على المسافة المربعة. الأرض لديها درجة الحرارة التي تفعلها بسبب بعدها عن الشمس ، والتي تحدد مقدار الطاقة لكل وحدة تقع على كوكبنا. النجوم البعيدة أو المجرات لها السطوع الظاهر الذي تقوم به بسبب هذه العلاقة ، والتي تتطلبها المحافظة على الطاقة. لاحظ أن الضوء ينتشر أيضًا في المنطقة لأنه يترك المصدر. (E. سيجل / وراء المجرة)

أول شيء تحتاج إلى فهمه هو كيف يعمل الضوء. عندما يكون لديك أي كائن ينبعث منه الضوء في الكون ، فإن الضوء الذي ينبعث منه سينتشر في كرة عند مغادرة المصدر. إذا كان كل ما لديك هو جهاز الكشف عن الصور الذي كان نقطة واحدة ، فلا يزال بإمكانك اكتشاف هذا الكائن البعيد الباعث للضوء.

لكنك لن تكون قادرًا على حلها.

عندما يصطدم الضوء (أي فوتون) بكاشف يشبه النقطة ، يمكنك تسجيل وصول الضوء ؛ يمكنك قياس طاقة الضوء وطول الموجة ؛ يمكنك معرفة الاتجاه الذي جاء منه الضوء. لكنك لن تكون قادرًا على معرفة أي شيء عن الخصائص الفيزيائية لهذا الكائن. لن تعرف حجمها أو شكلها أو مدتها المادية أو ما إذا كانت الأجزاء المختلفة ألوانًا أو سطوعًا مختلفًا. هذا لأنك تتلقى معلومات فقط في نقطة واحدة.

سديم NGC 246 معروف باسم سديم الجمجمة ، لوجود عينيها المتوهجة. إن العين المركزية هي في الواقع زوج من النجوم الثنائية ، والأصغر حجمًا ، والأكثر هشاشة ، هو المسؤول عن السديم نفسه ، حيث يفجر طبقاته الخارجية. يبعد فقط 1600 سنة ضوئية ، في كوكبة Cetus. تتطلب رؤية هذا على أنه أكثر من كائن واحد القدرة على حل هذه الميزات ، حسب حجم التلسكوب وعدد أطوال موجات الضوء التي تتناسب مع المرآة الأساسية. (GEMINI SOOS GMOS ، TRAVIS RECTOR (UNIV. ALASKA))

ما الذي يتطلبه الأمر لمعرفة ما إذا كنت تنظر إلى نقطة ضوء واحدة ، مثل نجمة مثل شمسنا ، أو نقاط ضوء متعددة ، كما لو كنت تجدها في نظام النجوم الثنائي؟ لذلك ، ستحتاج إلى تلقي الضوء في نقاط متعددة. بدلاً من كاشف يشبه النقطة ، يمكنك الحصول على كاشف يشبه الطبق ، مثل المرآة الأساسية على تلسكوب عاكس.

عندما يأتي الضوء ، لم تعد نقطة مثيرة للاهتمام ، بل هي منطقة. ينعكس الضوء الذي انتشر في كرة الآن عن المرآة ويركز إلى حد ما. والضوء الذي يأتي من مصدرين مختلفين ، حتى لو كانا قريبين من بعضهما البعض ، سوف يركزان على موقعين مختلفين.

يعتمد أي تلسكوب عاكس على مبدأ انعكاس أشعة الضوء الواردة عبر مرآة أولية كبيرة تركز الضوء على نقطة ما ، حيث يتم تقسيمها إلى بيانات وتسجيلها أو استخدامها لإنشاء صورة. يوضح هذا الرسم التخطيطي المحدد المسارات الضوئية لنظام تلسكوب هيرشيل لومونوسوف. لاحظ أن مصدرين متميزين سوف يركز ضوءهما على موقعين متميزين (مسارات الأزرق والأخضر) ، ولكن فقط إذا كان التلسكوب لديه قدرات كافية. (ويكيميديا ​​كومنز المستخدم أوجينيوس)

إذا كانت مرآة التلسكوب كبيرة بما يكفي مقارنةً بفصل الكائنين ، وكانت بصرياتك جيدة بدرجة كافية ، فستتمكن من حلها. إذا قمت بإنشاء جهازك بشكل صحيح ، فستكون قادرًا على معرفة وجود كائنات متعددة. يبدو أن مصدر الضوء مختلفان عن بعضهما البعض. من الناحية الفنية ، هناك علاقة بين ثلاث كميات:

  • القرار الزاوي يمكنك تحقيقه ،
  • قطر المرآة الخاصة بك ،
  • وطول موجة الضوء الذي تبحث فيه.

إذا كانت مصادرك أقرب إلى بعضها البعض ، أو كانت مرآة التلسكوب أصغر ، أو كنت تبحث عن طول موجة طويل من الضوء ، فسيصبح حل أي شيء تبحث عنه أكثر فأكثر. يجعل من الصعب حل ما إذا كانت هناك كائنات متعددة أم لا ، أو ما إذا كان الكائن الذي تعرضه له ميزات ساطعة ومظلمة. إذا كانت الدقة لديك غير كافية ، فلن يظهر كل شيء على أنه مجرد بقعة واحدة غير محلولة.

يتم تحديد حدود الدقة بواسطة ثلاثة عوامل: قطر التلسكوب الخاص بك ، الطول الموجي للضوء الذي تشاهده ، وجودة البصريات الخاصة بك. إذا كانت لديك البصريات المثالية ، فيمكنك الوصول إلى الحد الأدنى Rayleigh ، والذي يمنحك أعلى دقة ممكنة تسمح بها الفيزياء. (سبنسر BLIVEN / المجال العام)

هذه هي أساسيات كيفية عمل أي منظار كبير أحادي الطبق. يأتي الضوء من المصدر ، مع كل نقطة في الفضاء - حتى نقاط مختلفة تنشأ من نفس الكائن - تنبعث منها ضوءها بخصائصها الفريدة الخاصة بها. يتم تحديد الدقة بعدد الأطوال الموجية للضوء التي يمكن أن تلائم المرآة الأساسية لدينا.

إذا كانت أجهزة الكشف الخاصة بنا حساسة بدرجة كافية ، فسنكون قادرين على حل جميع أنواع الميزات على كائن ما. يمكن أن تظهر المناطق الساخنة والباردة للنجم ، مثل البقع الشمسية. يمكننا أن نجعل ميزات مثل البراكين ، السخانات ، أيسكابس والأحواض على الكواكب والأقمار. ويمكن تصوير مدى الغازات المنبعثة من الضوء أو البلازما ، بالإضافة إلى درجات الحرارة والكثافات. إنه إنجاز رائع يعتمد فقط على الخصائص الفيزيائية والبصرية للتلسكوب الخاص بك.

يظهر ثاني أكبر ثقب أسود كما يظهر من الأرض ، الموجود في وسط المجرة M87 ، في ثلاث وجهات نظر هنا. في الجزء العلوي ، يوجد بصري من Hubble ، وفي أسفل اليسار يوجد راديو من NRAO ، وفي الجزء السفلي الأيمن ، توجد أشعة سينية من Chandra. تتميز طرق العرض المختلفة هذه بدقة مختلفة تعتمد على الحساسية الضوئية وطول موجة الضوء المستخدم وحجم مرايا التلسكوب المستخدمة لمراقبة هذه الصور. توفر ملاحظات Chandra X-ray دقة رائعة على الرغم من وجود مرآة فعالة قطرها 8 بوصة (20 سم) ، نظرًا لطبيعة الطول الموجي القصيرة للغاية للأشعة السينية التي تلاحظها. (العلوي ، البصري ، فضاء تلسكوب متداخل / ناسا / ويكي ؛ أقل يسار ، راديو ، ناو / مجموعة كبيرة جداً (VLA) ؛ أقل شعاع ، الأشعة السينية ، ناسا / تشاندرا X-RAY TELESCOPE)

لكن ربما لا تحتاج إلى التلسكوب بأكمله. يعد بناء تلسكوب عملاق مكلفًا ويتطلب الكثير من الموارد ، وهو يخدم غرضين في الواقع لبناءهما كبير جدًا.

  1. كلما كان التلسكوب الخاص بك أكبر ، كان الدقة لديك أكبر ، استنادًا إلى عدد أطوال موجات الضوء التي تتناسب مع المرآة الأساسية.
  2. كلما زادت مساحة التجميع الخاصة بالتلسكوب ، زاد الضوء الذي يمكنك جمعه ، مما يعني أنه يمكنك مراقبة الأشياء الخافتة وتفاصيل أدق مما تستطيع مع التلسكوب ذي المساحة المنخفضة.

إذا أخذت مرآة التلسكوب الكبيرة الخاصة بك وبدأت تغميق بعض النقاط - كما لو كنت تقوم بتطبيق قناع على المرآة - فلن تتمكن بعد الآن من تلقي الضوء من تلك المواقع. نتيجةً لذلك ، ستنخفض حدود السطوع على ما يمكن رؤيته ، بما يتناسب مع مساحة السطح (منطقة تجميع الضوء) للتلسكوب الخاص بك. ولكن القرار لا يزال مساويا للفصل بين أجزاء مختلفة من المرآة.

Meteor ، تم تصويره على صفيف Atacama Large Millimeter / sub-millimeter ، 2014. لعل ALMA هي المجموعة الأكثر تقدماً والأكثر تعقيدًا في التلسكوبات الراديوية في العالم ، وهي قادرة على تصوير تفاصيل غير مسبوقة في أقراص الكواكب الأولية ، وهي أيضًا جزء لا يتجزأ من تلسكوب أفق الحدث. (ESO / C. MALIN)

هذا هو المبدأ الذي تقوم عليه مصفوفات التلسكوبات. هناك العديد من المصادر ، خاصة في الجزء الراديوي من الطيف ، وهي مشرقة للغاية ، لذلك لا تحتاج إلى كل منطقة التجميع هذه التي تأتي مع بناء طبق واحد ضخم.

بدلاً من ذلك ، يمكنك بناء مجموعة من الأطباق. نظرًا لأن الضوء من مصدر بعيد سينتشر ، فأنت تريد تجميع الضوء على مساحة كبيرة قدر الإمكان. لا تحتاج إلى استثمار كل مواردك في بناء طبق هائل يتمتع بقدرة فائقة على جمع الضوء ، لكنك لا تزال بحاجة إلى نفس الدقة الفائقة. وهنا تأتي فكرة استخدام مجموعة كبيرة من التلسكوبات اللاسلكية. من خلال مجموعة من التلسكوبات المرتبطة في جميع أنحاء العالم ، يمكننا حل بعض الأجسام الأكثر سطوعًا للراديو ولكنها أصغر حجمًا.

يوضح هذا الرسم البياني موقع جميع التلسكوبات وصفائف التلسكوب المستخدمة في ملاحظات 2017 Event Horizon Telescope من M87. لم يتمكن قط القطب الجنوبي فقط من تصوير الصورة M87 ، حيث إنه موجود في الجزء الخطأ من الأرض لمشاهدة مركز تلك المجرة. كل واحد من هذه المواقع مجهز بساعة ذرية ، من بين قطع أخرى من المعدات. (NRAO)

من الناحية الوظيفية ، لا يوجد فرق بين التفكير في السيناريوهين التاليين.

  1. يعد Event Horizon Telescope مرآة واحدة بها الكثير من الشريط اللاصق على أجزاء منه. يتم جمع الضوء وتركيزه من جميع هذه المواقع المختلفة في جميع أنحاء الأرض في نقطة واحدة ، ثم يتم تجميعها معًا في صورة تكشف عن السطوع وخصائص الهدف المستهدفة المختلفة في الفضاء ، حتى دقة الوضوح القصوى.
  2. يعد Event Horizon Telescope بحد ذاته مجموعة من التلسكوبات الفردية المختلفة ومصفوفات التلسكوب الفردية. يتم جمع الضوء وتوقيته باستخدام ساعة ذرية (لأغراض المزامنة) وتسجيله كبيانات في كل موقع على حدة. يتم بعد ذلك دمج هذه البيانات ومعالجتها معًا بشكل مناسب لإنشاء صورة تكشف عن السطوع والخصائص لأي شيء تنظر إليه في الفضاء.

الاختلاف الوحيد هو في التقنيات التي يجب عليك استخدامها لتحقيق ذلك ، لكن لهذا السبب لدينا علم VLBI: قياس التداخل طويل المدى.

في VLBI ، يتم تسجيل إشارات الراديو في كل من التلسكوبات الفردية قبل شحنها إلى موقع مركزي. يتم ختم كل نقطة بيانات تم استلامها بساعة ذرية دقيقة للغاية وعالية التردد إلى جانب البيانات من أجل مساعدة العلماء على تصحيح تزامن الملاحظات. (المجال العام / مستخدم WIKIPEDIA RNT20)

قد تبدأ على الفور في التفكير في الأفكار البرية ، مثل إطلاق التلسكوب اللاسلكي في الفضاء السحيق واستخدام ذلك ، المتصل بالشبكة مع التلسكوبات على الأرض ، لتوسيع نطاق خط الأساس الخاص بك. إنها خطة رائعة ، لكن يجب أن تفهم أن هناك سببًا وراء عدم قيامنا ببناء "تلسكوب الأحداث في الأفق" من خلال موقعين منفصلين جيدًا: نريد ذلك الدقة المذهلة في جميع الاتجاهات.

نريد الحصول على تغطية كاملة ثنائية الأبعاد للسماء ، مما يعني أنه من الأفضل أن يتم ترتيب مناظيرنا في حلقة كبيرة للحصول على تلك الفواصل الهائلة. هذا ليس ممكنًا ، بالطبع ، في عالم به قارات ومحيطات ومدن ودول ودول أخرى وحدود وقيود. ولكن مع وجود ثمانية مواقع مستقلة في جميع أنحاء العالم (سبعة منها كانت مفيدة لصورة M87) ، تمكنا من القيام بعمل جيد بشكل لا يصدق.

حققت أول صورة تم إصدارها من Event Horizon Telescope دقة 22.5 ميكروثانية ، مما مكّن المجموعة من حل أفق الحدث الخاص بالثقب الأسود في مركز M87. يجب أن يكون قطر التلسكوب أحادي الطبق 12000 كم لتحقيق هذه الحدة نفسها. لاحظ المظاهر المختلفة بين صور 5/6 أبريل وصور 10/11 أبريل ، والتي توضح أن الميزات الموجودة حول الثقب الأسود تتغير بمرور الوقت. يساعد هذا في إظهار أهمية مزامنة الملاحظات المختلفة ، بدلاً من مجرد حساب متوسط ​​الوقت لها. (EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION)

في الوقت الحالي ، يقتصر تلسكوب الأحداث في الأفق على الأرض ، ويقتصر على الأطباق التي يتم توصيلها معًا في الوقت الحالي ، ويقتصر على الأطوال الموجية المحددة التي يمكن قياسها. إذا أمكن تعديله للرصد عند أطوال موجية أقصر ، ويمكنه التغلب على عتامة الغلاف الجوي عند تلك الأطوال الموجية ، يمكننا تحقيق دقة أعلى باستخدام نفس المعدات. من حيث المبدأ ، قد نكون قادرين على رؤية الميزات من ثلاث إلى خمس مرات حادة دون الحاجة إلى طبق جديد.

من خلال إجراء هذه الملاحظات المتزامنة في جميع أنحاء العالم ، فإن تلسكوب الأحداث في الأفق يتصرف حقًا بمثابة تلسكوب واحد. إنه يحتوي فقط على قوة تجميع الضوء للأطباق الفردية التي تمت إضافتها معًا ، ولكن يمكن أن تحقق دقة المسافة بين الأطباق في الاتجاه الذي يتم فيه فصل الأطباق.

من خلال تمديد قطر الأرض بالعديد من التلسكوبات (أو صفيفات التلسكوب) في وقت واحد ، تمكنا من الحصول على البيانات اللازمة لحل أفق الحدث.

يتصرف تلسكوب الأحداث Horizon Telescope كأنه تلسكوب واحد نظرًا للتقدم المذهل في التقنيات التي نستخدمها والزيادات في القوة الحسابية والخوارزميات الجديدة التي تمكننا من تجميع هذه البيانات في صورة واحدة. هذا ليس بالأمر السهل ، واستغرق فريقًا من أكثر من 100 عالم يعملون لسنوات عديدة لتحقيق ذلك.

ولكن بصريا ، المبادئ هي نفس استخدام مرآة واحدة. لدينا ضوء يأتي من مناطق مختلفة على مصدر واحد ، وكلها تنتشر ، وكلها تصل إلى التلسكوبات المختلفة في الصفيف. يبدو الأمر كما لو أنهم يصلون إلى مواقع مختلفة على طول مرآة كبيرة للغاية. المفتاح هو كيفية تجميع هذه البيانات معًا واستخدامها لإعادة بناء صورة لما يحدث بالفعل.

الآن وبعد أن نجح فريق Event Horizon Telescope في تحقيق ذلك بنجاح ، فقد حان الوقت لوضع أنظارنا على الهدف التالي: التعلم قدر الإمكان حول كل ثقب أسود نتمكن من مشاهدته. مثلكم جميعًا ، لا أستطيع الانتظار.

أرسل أسئلتك في إيثان إلى ويبتابانج في gmail dot com!

يبدأ تطبيق "بدء بـ A Bang" الآن في مجلة "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم التكنلوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.