Hvordan interferometri virker, og hvorfor det er så stærkt for astronomi

Når astronomer taler om et optisk teleskop, de nævner ofte størrelsen af ​​dets spejl. Det er fordi, jo større dit spejl er, jo skarpere kan dit syn på himlen være. Det er kendt som opløsningskraft, og det skyldes en egenskab ved lys kendt som diffraktion. Når lyset passerer gennem en åbning, såsom åbningen af ​​teleskopet, det vil have tendens til at sprede sig eller diffraktere. Jo mindre åbningen er, jo mere lyset spreder sig, gør dit billede mere sløret. Dette er grunden til, at større teleskoper kan tage et skarpere billede end mindre.

Diffraktion afhænger ikke kun af størrelsen på dit teleskop, det afhænger også af bølgelængden af ​​lys, du observerer. Jo længere bølgelængden er, jo mere lys diffrakterer for en given åbningsstørrelse. Bølgelængden af ​​synligt lys er meget lille, mindre end 1 milliontedel meter i længden. Men radiolys har en bølgelængde, der er tusind gange længere. Hvis du vil tage billeder lige så skarpe som optiske teleskoper, du har brug for et radioteleskop, der er tusind gange større end et optisk. Heldigvis, vi kan bygge så store radioteleskoper takket være en teknik kendt som interferometri.

At bygge et højopløsnings radioteleskop, du kan ikke bare bygge en kæmpe radioparabol. Du skal bruge en tallerken med en diameter på mere end 10 kilometer. Selv den største radioskål, Kinas FAST teleskop, er kun 500 meter på tværs. Så i stedet for at bygge et enkelt stort fad, du bygger snesevis eller hundredvis af mindre retter, der kan arbejde sammen. Det er lidt ligesom kun at bruge dele af et stort spejl i stedet for det hele. Hvis du gjorde dette med et optisk teleskop, dit billede ville ikke være så lyst, men det ville være næsten lige så skarpt.

Men det er ikke så enkelt som at bygge en masse små antenneskåle. Med et enkelt teleskop, lyset fra en fjern genstand kommer ind i teleskopet og fokuseres af spejlet eller linsen på en detektor. Lyset, der forlod objektet på samme tid, når detektoren på samme tid, så dit billede er synkroniseret. Når du har en række radioskåle, hver med deres egen detektor, lyset fra dit objekt vil nå nogle antennedetektorer hurtigere end andre. Hvis du bare kombinerede alle dine data, ville du have et rodet rod. Det er her interferometri kommer ind.

Hver antenne i arrayet observerer det samme objekt, og som de gør, markerer de hver især tidspunktet for observationen meget præcist. Denne måde, du har snesevis eller hundredvis af datastrømme, hver med unikke tidsstempler. Fra tidsstempler, du kan synkronisere alle data tilbage. Hvis du ved, at skål B får en enkelt 2 mikrosekunder efter skål A, du ved, at signal B skal flyttes 2 mikrosekunder frem for at være synkroniseret.

Matematikken for dette bliver virkelig kompliceret. For at interferometri skal fungere, du skal kende tidsforskellen mellem hvert par antenneskåle. For 5 retter er det 15 par. Men VLA har 26 aktive retter eller 325 par. ALMA har 66 retter, hvilket giver 2, 145 par. Ikke kun det, Når Jorden roterer, skifter retningen af ​​dit objekt i forhold til antenneskålene, hvilket betyder, at tiden mellem signalerne ændrer sig, efterhånden som du foretager observationer. Du skal holde styr på det hele for at korrelere signalerne. Dette gøres med en specialiseret supercomputer kendt som en korrelator. Den er specielt designet til at udføre denne ene beregning. Det er korrelatoren, der lader snesevis af antenneskåle fungere som et enkelt teleskop.

Det har taget årtier at forfine og forbedre radiointerferometri, men det er blevet et almindeligt værktøj for radioastronomi. Fra indvielsen af ​​VLA i 1980 til det første lys af ALMA i 2013, interferometri har givet os ekstraordinært højopløselige billeder. Teknikken er nu så kraftfuld, at den kan bruges til at forbinde teleskoper over hele verden.

I 2009 radioobservatorier over hele verden blev enige om at arbejde sammen om et ambitiøst projekt. De brugte interferometri til at kombinere deres teleskoper for at skabe et virtuelt teleskop så stort som en planet. Det er kendt som Event Horizon Telescope, og i 2019, det gav os vores første billede af et sort hul.

Med teamwork og interferometri, vi kan nu studere et af de mest mystiske og ekstreme objekter i universet.