L'Array Telescope Array è potenzialmente in grado di rilevare un forte segnale radio da Proxima b, o qualsiasi altro sistema stellare con trasmissioni radio abbastanza potenti. Ha lavorato con successo in concerto con altri radiotelescopi attraverso linee di base estremamente lunghe per risolvere l'orizzonte degli eventi di un buco nero: probabilmente il suo risultato coronato. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Chiedi a Ethan: come si comporta l'Event Horizon Telescope come uno specchio gigante?

È composto da decine di telescopi in molti siti diversi in tutto il mondo. Ma si comporta come un telescopio gigante. Ecco come.

Se vuoi osservare l'Universo più profondamente e con una risoluzione più elevata che mai, c'è una tattica che tutti concordano sull'ideale: costruire un telescopio il più grande possibile. Ma l'immagine con la più alta risoluzione che abbiamo mai costruito in astronomia non proviene dal più grande telescopio, ma piuttosto da un'enorme gamma di telescopi di dimensioni modeste: l'Event Horizon Telescope. Come è possibile? Questo è ciò che il nostro interrogatore Ask Ethan per questa settimana, Dieter, vuole sapere, affermando:

Ho difficoltà a capire perché l'array EHT è considerato UN telescopio (che ha il diametro della terra).
Quando consideri l'EHT come UNO radiotelescopio, capisco che la risoluzione angolare è molto alta a causa della lunghezza d'onda del segnale in arrivo e del diametro terrestre. Comprendo anche che la sincronizzazione temporale è fondamentale.
Ma sarebbe di grande aiuto spiegare perché il diametro dell'EHT è considerato UN telescopio, considerando che ci sono circa 10 singoli telescopi nell'array.

Costruire un'immagine del buco nero al centro dell'M87 è uno dei risultati più straordinari che abbiamo mai realizzato. Ecco cosa lo ha reso possibile.

La relazione della distanza di luminosità e il modo in cui il flusso da una sorgente luminosa cade come uno sopra la distanza al quadrato. La Terra ha la temperatura che fa a causa della sua distanza dal Sole, che determina quanta energia per unità di superficie è incidente sul nostro pianeta. Le stelle o le galassie distanti hanno la luminosità apparente che hanno a causa di questa relazione, che è richiesta dal risparmio energetico. Si noti che la luce si diffonde anche nell'area mentre lascia la fonte. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

La prima cosa che devi capire è come funziona la luce. Quando hai un oggetto che emette luce nell'Universo, la luce che emette si diffonderà in una sfera dopo aver lasciato la sorgente. Se tutto ciò che avevi era un fotorilevatore che fosse un singolo punto, potresti comunque rilevare quell'oggetto distante, che emette luce.

Ma non saresti in grado di risolverlo.

Quando la luce (cioè un fotone) colpisce il tuo rivelatore a punta, puoi registrare che la luce è arrivata; puoi misurare l'energia e la lunghezza d'onda della luce; puoi sapere da quale direzione proveniva la luce. Ma non saresti in grado di sapere nulla delle proprietà fisiche di quell'oggetto. Non sapresti le sue dimensioni, forma, estensione fisica o se parti diverse erano di colori o luminosità diversi. Questo perché stai ricevendo informazioni solo in un singolo punto.

Nebulosa NGC 246 è meglio conosciuta come Nebulosa Teschio, per la presenza dei suoi due occhi luminosi. L'occhio centrale è in realtà una coppia di stelle binarie, e quella più piccola e più debole è responsabile della stessa nebulosa, mentre esplode dai suoi strati esterni. Mancano solo 1.600 anni luce alla costellazione di Cetus. Considerare questo come più di un singolo oggetto richiede la capacità di risolvere queste caratteristiche, a seconda delle dimensioni del telescopio e del numero di lunghezze d'onda della luce che si adattano attraverso il suo specchio primario. (GEMINI SUD GMOS, TRAVIS RECTOR (UNIV. ALASKA))

Cosa ci vorrebbe sapere se stavi guardando un singolo punto di luce, come una stella come il nostro Sole, o più punti di luce, come potresti trovare in un sistema stellare binario? Per questo, dovresti ricevere luce in più punti. Invece di un rilevatore a punta, potresti avere un rivelatore a forma di parabola, come lo specchio principale su un telescopio riflettore.

Quando la luce entra, non colpisce più un punto, ma piuttosto un'area. La luce che si era diffusa in una sfera ora viene riflessa dallo specchio e focalizzata su un punto. E la luce che proviene da due diverse fonti, anche se vicine tra loro, sarà focalizzata su due diverse posizioni.

Qualsiasi telescopio riflettore si basa sul principio di riflettere i raggi di luce in entrata attraverso un grande specchio primario che focalizza quella luce su un punto, dove viene quindi scomposta in dati e registrata o utilizzata per costruire un'immagine. Questo diagramma specifico illustra i percorsi di luce per un sistema di telescopi Herschel-Lomonosov. Si noti che due fonti distinte avranno la loro luce focalizzata su due posizioni distinte (percorsi blu e verde), ma solo se il telescopio ha capacità sufficienti. (UTENTE COMUNE DI WIKIMEDIA EUDJINNIUS)

Se il tuo specchio del telescopio è abbastanza grande rispetto alla separazione dei due oggetti e la tua ottica è abbastanza buona, sarai in grado di risolverli. Se costruisci correttamente il tuo apparato, sarai in grado di dire che ci sono più oggetti. Le due fonti luminose appariranno distinte l'una dall'altra. Tecnicamente, esiste una relazione tra tre quantità:

  • la risoluzione angolare che puoi ottenere,
  • il diametro del tuo specchio,
  • e la lunghezza d'onda della luce che stai guardando.

Se le tue fonti sono più vicine tra loro, o il tuo specchio del telescopio è più piccolo, o guardi usando una lunghezza d'onda più lunga della luce, diventa sempre più difficile risolvere qualunque cosa tu stia guardando. Rende più difficile risolvere se ci sono più oggetti o meno, o se l'oggetto che stai visualizzando ha caratteristiche chiare e scure. Se la tua risoluzione è insufficiente, tutto appare come nient'altro che un singolo punto sfocato e irrisolto.

I limiti di risoluzione sono determinati da tre fattori: il diametro del telescopio, la lunghezza d'onda della luce in cui la visione viene visualizzata e la qualità dell'ottica. Se si dispone di un'ottica perfetta, è possibile risolvere fino al limite di Rayleigh, che garantisce la massima risoluzione consentita dalla fisica. (SPENCER BLIVEN / DOMINIO PUBBLICO)

Questa è la base di come funziona un telescopio grande a piatto unico. La luce arriva dalla sorgente, con ogni punto nello spazio - anche punti diversi provenienti dallo stesso oggetto - che emette la propria luce con le sue proprietà uniche. La risoluzione è determinata dal numero di lunghezze d'onda della luce che possono adattarsi al nostro specchio primario.

Se i nostri rilevatori sono abbastanza sensibili, saremo in grado di risolvere tutti i tipi di funzionalità su un oggetto. Possono comparire regioni calde e fredde di una stella, come le macchie solari. Possiamo distinguere caratteristiche come vulcani, geyser, calotte polari e bacini su pianeti e lune. E anche l'estensione del gas o del plasma che emette luce, insieme alle loro temperature e densità, può essere immaginata. È un risultato fantastico che dipende solo dalle proprietà fisiche e ottiche del tuo telescopio.

Il secondo più grande buco nero visto dalla Terra, quello al centro della galassia M87, è mostrato in tre viste qui. Nella parte superiore si trova l'ottica di Hubble, in basso a sinistra la radio di NRAO e in basso a destra i raggi X di Chandra. Queste viste diverse hanno risoluzioni diverse che dipendono dalla sensibilità ottica, dalla lunghezza d'onda della luce utilizzata e dalle dimensioni degli specchi del telescopio utilizzati per osservarle. Le osservazioni ai raggi X di Chandra offrono una risoluzione squisita nonostante abbiano un efficace specchio da 20 cm di diametro, a causa della natura a lunghezza d'onda estremamente breve dei raggi X che osserva. (TELESCOPIO / NASA / WIKISKY SUPERIORE, OTTICO, SPAZIO HUBBLE; INFERIORE SINISTRA, RADIO, NRAO / MOLTO GRANDE ARRAY (VLA); INFERIORE DESTRO, X-RAY, NASA / CHANDRA TELESCOPIO X-RAY)

Ma forse non hai bisogno dell'intero telescopio. La costruzione di un telescopio gigante è costosa e dispendiosa in termini di risorse, e in realtà ha due scopi per costruirli così grandi.

  1. Più è grande il tuo telescopio, migliore è la tua risoluzione, in base al numero di lunghezze d'onda della luce che si adattano al tuo specchio primario.
  2. Più ampia è l'area di raccolta del tuo telescopio, maggiore è la luce che puoi raccogliere, il che significa che puoi osservare oggetti più deboli e dettagli più fini di quanto potresti con un telescopio di area inferiore.

Se prendessi il tuo grande specchio del telescopio e iniziassi a oscurare alcuni punti, come se stessi applicando una maschera al tuo specchio, non sarai più in grado di ricevere luce da quelle posizioni. Di conseguenza, i limiti di luminosità su ciò che si potrebbe vedere diminuirebbero, in proporzione alla superficie (area di raccolta della luce) del telescopio. Ma la risoluzione sarebbe comunque uguale alla separazione tra le varie porzioni dello specchio.

Meteor, fotografato su Atacama Large Millimeter / sub-millimeter Array, 2014. ALMA è forse la gamma più avanzata e complessa di radiotelescopi al mondo, è in grado di acquisire dettagli senza precedenti nei dischi protoplanetari ed è anche parte integrante di l'Event Horizon Telescope. (ESO / C. MALIN)

Questo è il principio su cui si basano le matrici di telescopi. Ci sono molte fonti là fuori, in particolare nella parte radio dello spettro, che sono estremamente luminose, quindi non hai bisogno di tutta quell'area di raccolta che viene fornita con la costruzione di un enorme piatto unico.

Invece, puoi costruire una serie di piatti. Poiché la luce proveniente da una fonte distante si diffonderà, si desidera raccogliere la luce su un'area il più ampia possibile. Non devi investire tutte le tue risorse nella costruzione di un enorme piatto con un potere supremo di raccolta della luce, ma hai ancora bisogno della stessa risoluzione superiore. Ed è qui che nasce l'idea di utilizzare una vasta gamma di radiotelescopi. Con una serie di telescopi collegati in tutto il mondo, possiamo risolvere alcuni degli oggetti radio-luminosi ma più piccoli di dimensioni angolari là fuori.

Questo diagramma mostra la posizione di tutti i telescopi e gli array di telescopi utilizzati nelle osservazioni del M87 di Event Horizon Telescope 2017. Solo il telescopio del Polo Sud non è stato in grado di immaginare M87, poiché si trova nella parte sbagliata della Terra per vedere il centro di quella galassia. Ognuna di queste posizioni è dotata di un orologio atomico, tra le altre attrezzature. (NRAO)

Funzionalmente, non vi è alcuna differenza tra pensare ai seguenti due scenari.

  1. Event Horizon Telescope è un singolo specchio con molto nastro adesivo su porzioni di esso. La luce viene raccolta e focalizzata da tutte queste posizioni disparate sulla Terra in un unico punto, e quindi sintetizzata insieme in un'immagine che rivela le diverse luminosità e proprietà del tuo bersaglio nello spazio, fino alla tua massima risoluzione.
  2. Event Horizon Telescope è esso stesso un array di molti diversi telescopi individuali e array di telescopi individuali. La luce viene raccolta, timestamp con un orologio atomico (ai fini della sincronizzazione) e registrata come dati in ogni singolo sito. Questi dati vengono quindi cuciti ed elaborati insieme in modo appropriato per creare un'immagine che rivela le luminosità e le proprietà di qualsiasi cosa tu stia guardando nello spazio.

L'unica differenza è nelle tecniche che devi usare per farlo accadere, ma è per questo che abbiamo la scienza del VLBI: l'interferometria a base molto lunga.

In VLBI, i segnali radio vengono registrati su ciascuno dei singoli telescopi prima di essere spediti in una posizione centrale. Ogni punto dati ricevuto è contrassegnato da un orologio atomico ad alta frequenza estremamente accurato accanto ai dati, al fine di aiutare gli scienziati a ottenere la sincronizzazione corretta delle osservazioni. (DOMINIO PUBBLICO / UTENTE WIKIPEDIA RNT20)

Potresti iniziare subito a pensare a idee selvagge, come lanciare un radiotelescopio nello spazio profondo e usarlo, collegato ai telescopi sulla Terra, per estendere la tua linea di base. È un ottimo piano, ma devi capire che c'è una ragione per cui non abbiamo semplicemente costruito il telescopio Event Horizon con due siti ben separati: vogliamo quell'incredibile risoluzione in tutte le direzioni.

Vogliamo ottenere una copertura bidimensionale completa del cielo, il che significa che idealmente avremmo i nostri telescopi disposti in un grande anello per ottenere quelle enormi separazioni. Questo non è fattibile, ovviamente, in un mondo con continenti e oceani e città e nazioni e altri confini, confini e vincoli. Ma con otto siti indipendenti in tutto il mondo (sette dei quali erano utili per l'immagine M87), siamo stati in grado di fare incredibilmente bene.

La prima immagine rilasciata di Event Horizon Telescope ha raggiunto risoluzioni di 22,5 microarcsecondi, consentendo all'array di risolvere l'orizzonte degli eventi del buco nero al centro dell'M87. Un telescopio a piatto unico dovrebbe avere un diametro di 12.000 km per ottenere la stessa nitidezza. Nota le diverse apparenze tra le immagini del 5/6 di aprile e le immagini del 10/11 di aprile, che mostrano che le caratteristiche attorno al buco nero stanno cambiando nel tempo. Questo aiuta a dimostrare l'importanza di sincronizzare le diverse osservazioni, piuttosto che limitarle alla media nel tempo. (EVENT COLLABORAZIONE TELESCOPIO ORIZZONTE)

Al momento, Event Horizon Telescope è limitato alla Terra, limitato ai piatti che sono attualmente collegati in rete e limitato dalle particolari lunghezze d'onda che può misurare. Se potesse essere modificato per osservare a lunghezze d'onda più brevi e superare l'opacità atmosferica a quelle lunghezze d'onda, potremmo ottenere risoluzioni più elevate con la stessa attrezzatura. In linea di principio, potremmo essere in grado di vedere le funzioni da tre a cinque volte più nitide senza bisogno di un singolo nuovo piatto.

Effettuando queste osservazioni simultanee in tutto il mondo, Event Horizon Telescope si comporta davvero come un singolo telescopio. Ha solo il potere di raccolta della luce dei singoli piatti sommati, ma può raggiungere la risoluzione della distanza tra i piatti nella direzione in cui i piatti sono separati.

Spanning il diametro della Terra con molti diversi telescopi (o array di telescopi) contemporaneamente, siamo stati in grado di ottenere i dati necessari per risolvere l'orizzonte degli eventi.

Event Horizon Telescope si comporta come un singolo telescopio a causa degli incredibili progressi nelle tecniche che utilizziamo e degli aumenti della potenza computazionale e dei nuovi algoritmi che ci consentono di sintetizzare questi dati in una singola immagine. Non è un'impresa facile e ha richiesto un team di oltre 100 scienziati che lavorano da molti anni per realizzarlo.

Ma otticamente, i principi sono gli stessi dell'uso di un singolo mirror. Abbiamo luce proveniente da diversi punti su un'unica fonte, che si diffonde e arriva ai vari telescopi dell'array. È come se stessero arrivando in luoghi diversi lungo uno specchio estremamente grande. La chiave sta nel modo in cui sintetizziamo insieme quei dati e li usiamo per ricostruire un'immagine di ciò che sta realmente accadendo.

Ora che il team di Event Horizon Telescope ha fatto esattamente questo, è tempo di impostare il nostro obiettivo sul prossimo obiettivo: apprendere il più possibile su ogni buco nero che siamo in grado di vedere. Come tutti voi, non vedo l'ora.

Invia le tue domande a Ethan a startwithabang su gmail dot com!

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.