HD 163296 يمثل قرصًا كوكبيًا نموذجيًا تم عرضه بواسطة تعاون DSHARP. يحتوي على قرص كوكبي رئيسي ، حلقات انبعاث خارجية ، وفجوات بينها. يجب أن يكون هناك كواكب متعددة في هذا النظام ، ويمكن للمرء تحديد قطعة أثرية غريبة إلى الحلقة الثانية من الخارج التي قد تكون علامة باهرة لكوكب مضطرب. شريط المقياس في أسفل اليمين هو 10 AU ، وهو ما يتوافق مع دقة بضع مللي ثانية فقط. لا يمكن تحقيق ذلك إلا من خلال VLBI. (S. M. ANDREWS ET AL. وتعاون DSHARP ، ARXIV: 1812.04040)

اسأل إيثان: كيف تسمح لنا التداخلات طويلة المدى للغاية بتشكيل ثقب أسود؟

إنها التقنية ، من Event Horizon Telescope ، التي جلبت لنا صورة الثقب الأسود. وإليك كيف يعمل.

حقق Telescope Event Horizon ما لم تفعله أي مجموعة أخرى من التلسكوب أو التلسكوب: تصوير أفق الحدث للثقب الأسود مباشرةً. انضم فريق مكون من أكثر من 200 عالم يستخدمون بيانات من ثمانية منشآت تلسكوب مستقلة عبر القارات الخمس جميعًا لتحقيق هذا الانتصار الضخم. في حين أن هناك العديد من المساهمات والمساهمين الذين يستحقون أن يتم تسليط الضوء عليهم ، فهناك تقنية فيزياء أساسية تعتمد عليها جميعًا: التداخل طويل القاعدي جدًا ، أو VLBI. يريد مؤيد Patreon Ken Blackman أن يعرف كيف يعمل ذلك ، وكيف مكن هذا الإنجاز الرائع ، متسائلاً:

يستخدم [تلسكوب أفق الأحداث] VLBI. إذن ما هو التداخل وكيف تم استخدامه من قبل [تلسكوب حدث الأفق]؟ يبدو أنه كان عنصرا أساسيا في إنتاج صورة M87 ولكن ليس لدي فكرة عن السبب أو السبب. الرعاية لتوضيح؟

كنت على؛ دعنا نقوم به.

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. (ويكيميديا ​​كومنز المستخدم أوجينيوس)

لتلسكوب واحد ، كل شيء بسيط نسبيا. يأتي الضوء كسلسلة من الأشعة المتوازية ، وكلها مصدرها نفس المصدر البعيد. يصد الضوء المرآة الأساسية للتلسكوب ، ويركز على نقطة واحدة. إذا وضعت مرآة إضافية (أو مجموعة من المرايا) على طول مسار الضوء ، فلن تغير هذه القصة ؛ يغيرون ببساطة حيث يختفي ذلك الضوء إلى نقطة ما.

تصل كل تلك الأشعة الضوئية إلى تلك النقطة النهائية في نفس الوقت ، حيث يمكن دمجها في صورة أو حفظها كبيانات خام ، لتتم معالجتها في صورة في وقت لاحق. هذه هي النسخة الأساسية للغاية من التلسكوب: يصل الضوء من مصدر ، ويتم تركيزه في منطقة صغيرة وتسجيله.

جزء صغير من Karl Jansky Very Large Array ، أحد أكبر وأقوى صفيف التلسكوبات الراديوية في العالم. ما لم تتم مزامنة الأطباق الفردية بشكل صحيح معًا ، فلن تحقق أي دقة أعلى من طبق واحد. (جون فاولر)

ولكن ماذا لو لم يكن لديك تلسكوب واحد ، ولكن تلسكوبات متعددة متصلة ببعضها البعض في صفيف ما؟ قد تعتقد أنه يمكنك فقط حل المشكلة بطريقة مماثلة ، وتركيز الضوء من كل تلسكوب بالطريقة التي تفعل بها لتلسكوب أحادي الطبق. كان الضوء لا يزال يصل في أشعة متوازية. ستظل كل مرآة أساسية تركز الضوء على نقطة واحدة ؛ تصل أشعة كل تلسكوب ضوئي إلى النقطة الأخيرة في نفس الوقت ؛ كل هذه البيانات يمكن جمعها وتخزينها.

يمكنك القيام بذلك ، بالطبع. لكن ذلك سوف يمنحك فقط صورتين مستقلتين. يمكنك الجمع بينهما ، ولكن هذا من شأنه فقط متوسط ​​البيانات خارج. سيكون الأمر كما لو أنك لاحظت هدفك بواسطة تلسكوب واحد في مرتين مختلفتين ، وقمت بإضافة البيانات معًا.

ستتألف مجموعة الكيلومترات المربعة ، عند اكتمالها ، من مجموعة من آلاف التلسكوبات الراديوية ، التي يمكنها رؤية أبعد إلى الكون من أي مرصد يقيس أي نوع من النجوم أو المجرات. (مكتب تطوير مشروع SKA ومنتوجات الفلك المستحضر)

هذا لا يساعدك في حل مشكلتك الكبيرة ، وهو أنك تحتاج إلى الدقة المحسّنة المهمة التي تأتي مع استخدام شبكة من التلسكوبات المرتبطة مع VLBI. عندما تقوم بنجاح بربط العديد من التلسكوبات مع تقنية VLBI ، يمكن أن يمنحك صورة لديها قوة جمع الضوء لأطباق التلسكوب الفردية المضافة معًا ، ولكن (على النحو الأمثل) مع دقة المسافة بين أطباق التلسكوب.

وقد استخدمت هذه التقنية الشهيرة عدة مرات ، ليس فقط لتصوير ثقب أسود وليس حتى مع التلسكوبات اللاسلكية وحدها. في الواقع ، ربما تم استخدام أكثر الأمثلة المذهلة للـ VLBI بواسطة تلسكوب ذو مجهر كبير ، يحتوي على تلسكوبين طولهما 8 أمتار مثبتان معًا ، يتصرفان بدقة تلسكوب يبلغ طوله 23 مترًا تقريبًا. نتيجةً لذلك ، يمكنه حل الميزات التي لا يمكن لأي طبق طوله 8 أمتار ، مثل انفجار البراكين على Io أثناء تعرضه لكسوف من أقمار كوكب المشتري.

سحرية قمر كوكب المشتري ، Io ، مع البراكين الثارتين Loki و Pele ، كما حدث مع يوروبا ، وهو أمر غير مرئي في هذه الصورة بالأشعة تحت الحمراء. كان تلسكوب مجهر كبير قادرا على القيام بذلك بسبب تقنية التداخل. (LBTO)

المفتاح لإلغاء تأمين هذا النوع من الطاقة هو أنك تحتاج إلى أن تكون قادرًا على تجميع ملاحظاتك في نفس الوقت في الوقت المناسب. تصل إشارات الضوء التي تصل إلى التلسكوبات بعد أوقات مختلفة للضوء بشكل طفيف ، بسبب اختلاف المسافة ، في سرعة الضوء ، والتي تأخذ الإشارة إلى الانتقال من الكائن المصدر إلى الكاشفات / التلسكوبات المختلفة على أرض.

يجب أن تعرف وقت وصول الإشارات في مواقع التلسكوب المختلفة في جميع أنحاء العالم حتى تتمكن من دمجها معًا في صورة واحدة. فقط من خلال دمج البيانات التي تتوافق مع عرض المصدر نفسه في وقت واحد ، يمكننا أن نحقق أقصى درجات الدقة التي تستطيع شبكة من التلسكوبات تقديمها.

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)

الطريقة التي نقوم بها بذلك ، عملياً ، هي استخدام الساعات الذرية. في كل واحد من المواقع الثمانية في جميع أنحاء العالم ، حيث يأخذ Event Horizon Telescope البيانات هي ساعة ذرية ، والتي تمكننا من الحفاظ على الوقت في أجزاء من عدة أجزاء من الثانية (10 ^ -18 ثانية). كانت هناك أيضًا حاجة إلى تثبيت أجهزة حسابية متخصصة (كل من الأجهزة والبرامج) لتمكين الارتباط من الارتباطات ومزامنتها بين المحطات المختلفة في جميع أنحاء العالم.

يجب عليك مراقبة نفس الكائن في نفس الوقت بنفس التردد ، وكل ذلك أثناء تصحيح أشياء مثل الضوضاء الجوية باستخدام تلسكوب تمت معايرته بشكل صحيح. إنها مهمة تتطلب عمالة كثيفة وتتطلب دقة هائلة. ولكن عندما تصل إلى هناك ، فإن المكافأة مذهلة.

القرص كوكبي الكواكب حول النجم الشاب ، HL Tauri ، كما صورت من قبل ALMA. تشير الثغرات الموجودة في القرص إلى وجود كواكب جديدة. يبلغ عمر هذا النظام مئات الملايين من السنين ، ومن المحتمل أن تقترب الكواكب الموجودة هناك من مراحلها ومداراتها النهائية. هذا القرار ممكن فقط بسبب استخدام VLBI من قبل ALMA. (ألما (ESO / NAOJ / NRAO))

قد تبدو الصورة أعلاه وكأنها لا علاقة لها بثقب أسود ، لكنها في الواقع واحدة من أكثر الصور شهرة من مجموعة واحدة من أقوى التلسكوبات اللاسلكية الموجودة هناك: ALMA. يرمز ALMA إلى Atacama Large Millimeter / Submillimetre Array ، ويتكون من 66 طبقًا راديو مستقلًا يمكن ضبطه بحيث يكون متباعدًا بحيث يكون متباعدًا بين 150 مترًا وصولًا إلى 16 كيلو مترًا.

يتم تحديد قوة جمع الضوء فقط من خلال مساحة الأطباق الفردية المضافة جميعًا معًا ؛ هذا لا يتغير. لكن القرار الذي يمكن تحقيقه يتحدد من خلال المسافة بين الأطباق. هذه هي الطريقة التي يمكن بها تحقيق القرارات وصولاً إلى بضع ثوانٍ فقط من الدقائق ، أو دقة تبلغ 300/1000 درجة.

تعد صفيف Atacama Large Millimeter / submillimeter (ALMA) من أقوى التلسكوبات الراديوية على الأرض. يمكن لهذه التلسكوبات قياس التواقيع ذات الطول الموجي للذرات والجزيئات والأيونات التي يتعذر الوصول إليها لتلسكوبات ذات الطول الموجي الأقصر مثل هابل ، ولكن يمكنها أيضًا قياس تفاصيل أنظمة الكواكب الأولية ، وحتى الإشارات الغريبة التي لا يمكن أن ترى التلسكوبات الأشعة تحت الحمراء رؤيتها. لقد كانت الإضافة الأكثر أهمية إلى تلسكوب حدث الأفق. (ESO / C. MALIN)

ولكن بقدر ما هو مثير للإعجاب ، فإن تلسكوب الأحداث في الأفق يمضي إلى أبعد من ذلك. مع وجود خطوط أساس بين المحطات التي تقترب من قطر الأرض - أكثر من 10000 كيلومتر - يمكنها حل الأشياء الصغيرة التي تصل إلى حوالي 15 ثانية دقيقة. هذا التحسن المذهل في الدقة هو ما مكنها من تصوير أفق حدث الثقب الأسود (الذي يبلغ عرضه 42 ثانية تقريبًا) في مركز المجرة M87.

المفتاح في الحصول على تلك الصورة ، وفي إجراء هذه الملاحظات عالية الدقة بشكل عام ، هو مزامنة كل واحد من التلسكوبات مع الملاحظات التي تتزامن تماما في الوقت المناسب. لجعل هذا يحدث بسيط من الناحية النظرية ، لكنه يتطلب ابتكار ضخم لوضع هذا موضع التنفيذ.

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)

جاء التقدم الرئيسي في عام 1958 ، عندما كتب العالم روجر جينيسون ورقة مشهورة الآن: تقنية قياس التداخل الحساسة للمرحلة لقياس تحويلات فورييه لتوزيعات السطوع المكاني ذات الزاوية الزاوية الصغيرة. هذا يبدو وكأنه الفم ، ولكن هنا كيف يمكنك فهم ذلك بطريقة واضحة.

  1. تخيل أن لديك ثلاثة هوائيات (أو مقاريب راديوية) جميعها متصلة ببعضها البعض ، وتفصل بينها مسافات معينة.
  2. سوف تستقبل هذه الهوائيات إشارات من مصدر بعيد ، حيث يمكن حساب أوقات الوصول النسبية للإشارات المختلفة.
  3. عندما تخلط الإشارات المختلفة معًا ، فإنها تتداخل مع بعضها البعض ، سواء بسبب الآثار الحقيقية أو بسبب الأخطاء.
  4. إن ما ابتكره جينيسون - وما يزال يستخدم حتى الآن في شكل المعايرة الذاتية - هو الأسلوب الذي يجمع بين التأثيرات الحقيقية بشكل صحيح وتجاهل الأخطاء.

يُعرف هذا اليوم باسم تركيب الفتحة ، والمبدأ الأساسي ظل كما هو منذ أكثر من 60 عامًا.

في أبريل من عام 2017 ، أشارت كل صفيفات التلسكوب / التلسكوب الثمانية المرتبطة بـ Event Horizon Telescope إلى Messier 87. هذا ما يبدو عليه الثقب الأسود الهائل ، حيث يكون أفق الحدث مرئيًا بوضوح. فقط من خلال VLBI يمكن أن نحقق الدقة اللازمة لبناء صورة مثل هذه. (EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)

الأمر المذهل في هذه التقنية هو أنه يمكن تطبيقها على أي نطاق لطول الموجة على الإطلاق. في الوقت الحالي ، يقيس Event Horizon Telescope الموجات الراديوية بتردد معين ، لكنه يمكن أن يعمل نظريًا على تردد يتراوح بين ثلاثة وخمس مرات. نظرًا لأن دقة التلسكوب الخاص بك تعتمد على عدد الموجات التي يمكن أن تتناسب مع قطر التلسكوب (أو خط الأساس) ، فإن الانتقال إلى الترددات الأعلى يترجم إلى أطوال موجية أقصر ودقة أعلى. يمكننا الحصول على خمسة أضعاف القرار دون الحاجة إلى بناء طبق واحد جديد.

ربما تكون أول ثقب أسود قد وصلت قبل بضعة أيام ، لكننا نتطلع بالفعل إلى المستقبل. أفق الحدث الأول هو في الحقيقة مجرد بداية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون Telescope Event Horizon في يوم من الأيام قادرًا على حل ميزات الحلقات البعيدة وغيرها من مصادر الراديو الساطعة ، مما يمكننا من فهمها كما لم يحدث من قبل. مرحبًا بك في عالم VLBI ، حيث إذا كنت تريد تلسكوبًا عالي الدقة ، فأنت بحاجة فقط إلى تحريك تلك التي تفصل بينها!

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 التكنولوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.