ALMA-arrayet i Chile slutter sig til globale VLBI-arrays for et hidtil uset spring i løsningskraft

En kraftfuld ny vifte af radioteleskoper bliver indsat for første gang i denne uge, da Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile slutter sig til et globalt netværk af antenner, der er klar til at lave nogle af de højeste opløsningsbilleder, som astronomer nogensinde har opnået. Det forbedrede detaljeniveau svarer til at kunne tælle stingene på en baseball fra 8, 000 miles væk.

Forskere ved MIT og andre institutioner bruger en metode kaldet VLBI (Very Long Baseline Interferometry) til at forbinde en gruppe radioteleskoper spredt over hele kloden til, hvad der er, træde i kræft, et teleskop på størrelse med vores planet. Selvom teknikken til VLBI ikke er ny, forskere er for nylig begyndt at udvide det til millimeterbølgelængder for at opnå et yderligere boost i opløsningsevnen. Og nu, tilføjelsen af ​​ALMA til globale VLBI-arrays giver et hidtil uset spring i VLBI-kapaciteter.

Inkluderingen af ​​ALMA blev for nylig muliggjort gennem ALMA Phasing Project (APP), en international indsats ledet af MIT Haystack Observatory i Westford, Massachusetts, og hovedforsker Sheperd Doeleman, nu på Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Inden dette projekt, ALMA-skålene arbejdede med hinanden for at foretage observationer som en enkelt række; nu, APP'en har opnået synkronisering, eller "indfasning, " på op til 61 ALMA-antenner til at fungere som en enkelt, meget følsom radioantenne - de fleste antenner, der nogensinde er faset sammen. For at opnå dette, APP -teamet udviklede brugerdefineret software og installerede flere nye hardwarekomponenter på ALMA, inklusive en brintmaser (en type ultrapræcis atomur), et sæt meget højhastigheds-dataomformatere, og et fiberoptisk system til at transportere en datastrøm på 8 gigabyte pr. sekund til fire ultrahurtige dataoptagere (den Haystack-designede Mark6). Kulminationen af ​​disse bestræbelser er en stigning i størrelsesordenen i følsomheden af ​​verdens millimeter VLBI-netværk, og et dramatisk løft i deres evne til at skabe detaljerede billeder af kilder, der tidligere fremstod som blotte lyspunkter.

"Rigtig mange mennesker har arbejdet meget hårdt i de sidste mange år for at gøre denne drøm til virkelighed, " siger Geoff Crew, software lead til APP'en. "ALMA VLBI vil virkelig være transformerende for vores videnskab."

Et af målene med disse nye teknologiske innovationer er at afbilde et sort hul. Denne måned, to internationale organisationer laver observationer, der vil gøre det muligt for videnskabsmænd at konstruere et sådant billede for allerførste gang. Og det portræt, de forsøger at fange, er tæt på hjemmet:Skytten A* (Sgr A*), det supermassive sorte hul i midten af ​​Mælkevejen.

Så mange data vil blive indsamlet i løbet af de to observationsperioder, at det er hurtigere at flyve dem til Haystack, end det ville være at overføre dem elektronisk. Petabytes af data vil blive fløjet fra teleskoper rundt om i verden til Haystack for korrelation og behandling, før billeder af det sorte hul kan skabes. Korrelation, som registrerer data fra alle deltagende teleskoper for at tage højde for de forskellige ankomsttider for radiobølgerne på hvert sted, sker ved hjælp af en specialiseret bank af kraftfulde computere. MIT Haystack er et af de få radiovidenskabelige faciliteter på verdensplan med den nødvendige teknologi og ekspertise til at korrelere denne mængde data. Yderligere korrelation for disse sessioner foretages på Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland.

Der afholdes to observationssessioner. GMVA-sessionen (Global mm-VLBI Array) vil observere en række forskellige kilder ved en bølgelængde på 3 millimeter, inklusive Sgr A* og andre aktive galaktiske kerner, og EHT (Event Horizon Telescope) session vil observere Sgr A* såvel som det supermassive sorte hul i midten af ​​en nærliggende galakse, M87, ved en bølgelængde på 1,3 millimeter. EHT-holdet omfatter forskere fra MIT's Haystack Observatory og MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), arbejder med Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og mange andre organisationer.

"Flere faktorer gør 1,3 mm til den ideelle observationsbølgelængde for Sgr A*, " ifølge APP Project Scientist Vincent Fish. "Ved længere observation af bølgelængder, kilden ville blive sløret af frie elektroner mellem os og det galaktiske center, og vi ville ikke have nok opløsning til at se den forudsagte sorte huls skygge. Ved kortere bølgelængder, Jordens atmosfære absorberer det meste af signalet."

De nuværende observationer er de første i en række banebrydende undersøgelser i VLBI og radiointerferometri, der vil muliggøre dramatiske nye videnskabelige opdagelser. Data fra det nyligt opbyggede ALMA-array vil også muliggøre bedre billeddannelse af andre fjerntliggende radiokilder via forbedret datasampling, øget vinkelopløsning, og til sidst spektrallinje VLBI - observationer af emissioner fra specifikke grundstoffer og molekyler.

"Phasing ALMA has opened whole new possibilities for ultra high-resolution science that will go far beyond the study of black holes, " says Lynn Matthews, commissioning scientist for the APP. "For example, we expect to be able to make movies of the gas motions around stars that are still in the process of forming and map the outflows that occur from dying stars, both at a level of detail that has never been possible before."

The black hole images from the data gathered this month will take months to prepare; researchers expect to publish the first results in 2018.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.