Allen Telescope Arrayは、Proxima bからの強力な電波信号、または十分に強力な電波伝送を備えた他のスターシステムを検出できる可能性があります。非常に長いベースラインで他の電波望遠鏡と連携して正常に機能し、ブラックホールの出来事の地平線を解決しました:おそらくその最高の成果。 (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

イーサンに聞く:イベントホライズン望遠鏡はどのように巨大な鏡のように機能しますか?

世界中のさまざまなサイトにある多数の望遠鏡で構成されています。しかし、それは1つの巨大な望遠鏡のように機能します。方法は次のとおりです。

宇宙をこれまで以上に深く、より高い解像度で観察したい場合、誰もが理想であることに同意する1つの戦術があります。可能な限り大きな望遠鏡を作ることです。しかし、天文学でこれまでに構築した最高解像度の画像は、最大の望遠鏡からではなく、適度なサイズの巨大な一連の望遠鏡、Event Horizo​​n Telescopeからのものです。そんなことがあるものか?今週の私たちの質問であるイーサン質問者ディーターは、次のように知りたいと思っています。

EHTアレイが1つの望遠鏡(地球の直径を持つ)と見なされる理由を理解するのが困難です。
EHTを1つの電波望遠鏡と考えると、着信信号の波長と地球の直径のために角度分解能が非常に高いことを理解しています。また、時間の同期が重要であることも理解しています。
しかし、アレイ内に約10個の個別の望遠鏡があることを考慮すると、EHTの直径が1つの望遠鏡と見なされる理由を説明するのに非常に役立ちます。

M87の中心にブラックホールのイメージを構築することは、これまでに達成した最も顕著な成果の1つです。これが可能になった理由です。

輝度と距離の関係、および光源からの光束が距離の2乗に応じて減衰する方法。地球には、太陽からの距離のために温度があります。これは、惑星に単位面積あたりのエネルギーがどれだけ入射するかを決定します。遠方の星や銀河は、この関係のために見かけの明るさを持っています。これは、エネルギー保存によって要求されます。また、光源から出た光がエリア内に広がることに注意してください。 (E.シーゲル/ビヨンドザギャラクシー)

最初に理解する必要があるのは、光の仕組みです。ユニバースに発光オブジェクトがある場合、そのオブジェクトが発する光は、光源を離れると球形に広がります。単一のポイントである光検出器さえあれば、その遠くの発光オブジェクトを検出できます。

しかし、それを解決することはできません。

光(つまり、光子)が点状の検出器に当たると、光が届いたことを登録できます。光のエネルギーと波長を測定できます。光の方向を知ることができます。ただし、そのオブジェクトの物理的特性については何も知ることができません。そのサイズ、形状、物理的範囲、または異なる部分が異なる色や明るさであるかどうかはわかりません。これは、1つのポイントでしか情報を受け取らないためです。

星雲NGC 246は、輝く2つの目が存在することから、頭蓋骨星雲として知られています。中心の目は実際には2つの連星であり、小さくて暗い星は、星雲自体の原因であり、外層を吹き飛ばします。シータスの星座では、わずか1,600光年離れています。これを複数のオブジェクトとして見るには、望遠鏡のサイズとその主鏡に適合する光の波長の数に応じて、これらの機能を解決する機能が必要です。 (GEMINI SOUTH GMOS、TRAVIS RECTOR(UNIV。ALASKA))

太陽のような星のような単一の光点を見ているのか、連星系で見られるような複数の光点を見ているのかを知るには何が必要でしょうか?そのためには、複数のポイントで光を受け取る必要があります。点状の検出器の代わりに、反射型望遠鏡の主鏡のような皿状の検出器を使用できます。

光が入ると、それはもはやポイントではなく、エリアに当たります。球体に広がっていた光は、鏡で反射され、点に焦点を合わせます。また、2つの異なる光源からの光は、たとえ互いに近接していても、2つの異なる場所に焦点を合わせます。

反射望遠鏡は、入射光を大きな一次鏡で反射する原理に基づいています。この一次鏡は、光をデータに分解して記録または画像の構築に使用するポイントに焦点を合わせます。この特定の図は、ハーシェル・ロモノソフ望遠鏡システムの光路を示しています。 2つの異なる光源は、望遠鏡に十分な機能がある場合にのみ、2つの異なる場所(青と緑のパス)に焦点を合わせます。 (WIKIMEDIA COMMONSユーザーEUDJINNIUS)

望遠鏡のミラーが2つの物体の分離に比べて十分に大きく、光学系が十分であれば、それらを解決することができます。装置を正しく構築すれば、複数のオブジェクトがあることを知ることができます。 2つの光源は互いに異なるように見えます。技術的には、3つの量の間には関係があります。

  • 達成できる角度分解能、
  • 鏡の直径、
  • そしてあなたが見ている光の波長。

光源が近くにある場合、望遠鏡のミラーが小さい場合、またはより長い波長の光を使用して見ている場合、見ているものを何でも解決することはますます困難になります。複数のオブジェクトがあるかどうか、または表示しているオブジェクトに明暗の特徴があるかどうかを解決するのが難しくなります。解像度が不十分な場合、すべてがぼやけた未解決の単一スポットとして表示されます。

解像度の限界は、望遠鏡の直径、表示する光の波長、光学系の品質の3つの要因によって決まります。完璧な光学系があれば、レイリーの限界まで解くことができ、物理学で許される最高の解像度が得られます。 (スペンサーブリベン/パブリックドメイン)

これが、大型のシングルディッシュ望遠鏡の仕組みの基本です。ライトは光源から入り、空間内のすべてのポイント(同じオブジェクトからの異なるポイントも含む)が、独自のプロパティを持つ独自のライトを放射します。解像度は、主鏡全体に適合する光の波長の数によって決まります。

検出器の感度が十分であれば、オブジェクトのあらゆる種類の特徴を解決できます。太陽の黒点のような星のホット&コールド領域が表示される場合があります。火山や間欠泉、氷冠、惑星や月の盆地などの機能を作成できます。また、発光ガスまたはプラズマの範囲とその温度および密度も画像化できます。望遠鏡の物理的および光学的特性にのみ依存する素晴らしい成果です。

地球から見た2番目に大きいブラックホール、銀河M87の中心にあるブラックホールは、3つのビューに表示されています。上部はハッブルからの光学、左下はNRAOからの無線、右下はチャンドラからのX線です。これらの異なるビューには、光学感度、使用する光の波長、およびそれらを観察するために使用される望遠鏡ミラーのサイズに応じて異なる解像度があります。チャンドラX線観測では、観測するX線の波長が非常に短いため、有効な直径8インチ(20 cm)のミラーがあるにもかかわらず、絶妙な解像度が得られます。 (上、光学、ハッブル宇宙望遠鏡/ NASA /ウィキスキー、左下、ラジオ、NRAO /超大規模アレイ(VLA)、右下、X線、NASA /チャンドラX線望遠鏡)

ただし、望遠鏡全体が必要なわけではありません。巨大な望遠鏡を構築することは高価であり、リソースを大量に消費します。実際、巨大な望遠鏡を構築するには2つの目的があります。

  1. 望遠鏡が大きくなればなるほど、主鏡に収まる光の波長数に基づいて解像度が向上します。
  2. 望遠鏡の収集領域が大きいほど、より多くの光を集めることができます。これは、より低い領域の望遠鏡を使用した場合よりも暗い物体や細かい部分を観察できることを意味します。

大きな望遠鏡のミラーを取り、マスクを鏡に当てているようにいくつかのスポットを暗くし始めた場合、それらの場所から光を受け取ることができなくなります。その結果、望遠鏡の表面領域(集光領域)に比例して、表示できる明るさの制限が低下します。ただし、解像度はミラーのさまざまな部分の間隔に等しくなります。

2014年、アタカマの大型ミリメートル/サブミリメートルアレイで撮影された流星。 Event Horizo​​n Telescope。 (ESO / C。マリン)

これは、望遠鏡のアレイが基づいている原則です。特にスペクトルの無線部分には非常に明るいソースがたくさんあるので、巨大な一皿を作るのに必要な収集エリアをすべて必要としません。

代わりに、料理の配列を作成できます。遠くの光源からの光が広がるため、できるだけ広い範囲に光を集めたいと思います。最高の集光力を備えた巨大な料理を作るためにすべてのリソースを投資する必要はありませんが、それでも同じ優れた解像度が必要です。そして、そこから巨大な電波望遠鏡を使用するというアイデアが生まれました。世界中のリンクされた望遠鏡の配列で、私たちはそこにある電波で最も明るいが最小の角度サイズのオブジェクトのいくつかを解決することができます。

この図は、M87の2017 Event Horizo​​n Telescopeの観測で使用されたすべての望遠鏡と望遠鏡アレイの位置を示しています。南極望遠鏡だけがM87を撮像できませんでした。M87は、銀河の中心を見るために地球の間違った部分にあるためです。これらの場所にはすべて、他の機器の中でも原子時計が装備されています。 (NRAO)

機能的には、次の2つのシナリオについて考えることに違いはありません。

  1. Event Horizo​​n Telescopeは、その一部を覆う多くのマスキングテープを備えた単一のミラーです。光は、地球上のこれらすべての異なる場所から集められて単一のポイントに焦点を合わせ、合成されて、最大解像度までの空間内のターゲットの異なる明るさと特性を明らかにする画像に合成されます。
  2. Event Horizo​​n Telescope自体は、多くの異なる個々の望遠鏡と個々の望遠鏡アレイの配列です。ライトは収集され、原子時計でタイムスタンプが付けられ(同期のため)、各サイトでデータとして記録されます。次に、そのデータを適切につなぎ合わせて処理し、宇宙で見ているものの明るさと特性を明らかにする画像を作成します。

唯一の違いは、それを実現するために使用しなければならないテクニックにありますが、それがVLBIの科学である非常に長いベースライン干渉測定法を持っている理由です。

VLBIでは、中央の場所に出荷される前に、個々の望遠鏡のそれぞれで無線信号が記録されます。科学者が観測の同期を正確に行えるように、受信した各データポイントには、データと共に非常に正確な高周波原子時計が刻印されています。 (PUBLIC DOMAIN / WIKIPEDIA USER RNT20)

電波望遠鏡を深宇宙に打ち上げ、それを地球上の望遠鏡とネットワークでつなげて、ベースラインを拡張するなど、野生のアイデアをすぐに考え始めるかもしれません。それは素晴らしい計画ですが、2つのよく分離されたサイトでEvent Horizo​​n Telescopeを構築しただけではない理由があることを理解する必要があります。

空を完全に2次元でカバーしたいのです。つまり、理想的には望遠鏡を大きなリングに配置して、これらの巨大な分離を取得することを意味します。もちろん、大陸や海、都市、国、その他の国境、境界、制約のある世界では実現できません。しかし、世界中に8つの独立したサイトがあり(そのうち7つはM87画像に有用でした)、私たちは非常にうまくやることができました。

Event Horizo​​n Telescopeの最初のリリース画像は22.5マイクロ秒の解像度を達成し、アレイがM87の中心にあるブラックホールのイベントホライズンを解決できるようになりました。これと同じシャープネスを実現するには、シングルディッシュ望遠鏡の直径が12,000 kmでなければなりません。 4月5/6日の画像と4月10/11日の画像の外観の違いに注意してください。ブラックホールの周囲の特徴が時間とともに変化していることがわかります。これは、単に時間を平均するのではなく、異なる観測を同期することの重要性を示すのに役立ちます。 (イベントホライズンテレスコープコラボレーション)

現在、Event Horizo​​n Telescopeは地球に限定されており、現在ネットワーク化されている料理に限定されており、測定可能な特定の波長に限定されています。より短い波長で観測するように修正でき、それらの波長で大気の不透明度を克服できる場合、同じ機器でより高い解像度を達成できます。原則として、1枚の新しい料理を必要とせずに、3から5回シャープな特徴を見ることができるかもしれません。

これらの同時観測を世界中で行うことにより、Event Horizo​​n Telescopeは実際には単一の望遠鏡として動作します。個々のディッシュの光収集力のみが加算されますが、ディッシュが分離される方向のディッシュ間の距離の解像度を達成できます。

地球の直径を多数の異なる望遠鏡(または望遠鏡アレイ)で同時にスパンすることにより、イベントの地平線を解決するために必要なデータを取得することができました。

Event Horizo​​n Telescopeは単一の望遠鏡のように動作します。これは、使用する技術が驚くほど進歩し、計算能力が向上し、このデータを単一の画像に合成できる新しいアルゴリズムがあるためです。それは簡単な偉業ではなく、それを実現するために長年働いている100人以上の科学者のチームが必要でした。

しかし、光学的には、原理は単一のミラーを使用するのと同じです。単一の光源のさまざまなスポットから光が入り、すべてが広がり、アレイ内のさまざまな望遠鏡にすべて届きます。まるで、彼らが非常に大きな鏡に沿ってさまざまな場所に到着しているようです。重要なのは、そのデータをどのように合成し、それを使用して実際に起こっていることのイメージを再構築する方法です。

Event Horizo​​n Telescopeチームがまさにそれを成功裏に完了したので、次の目標に目を向けましょう。私たちが見ることができるすべてのブラックホールについて、できる限り多くを学ぶことです。皆さんのように、私は待ちきれません。

Ask Ethanの質問をgmail dot comのstartswithabangに送信してください!

Starts With A BangがForbesで公開され、PatreonサポーターのおかげでMediumで再公開されました。イーサンは、2つの本、Beyond The GalaxyとTreknology:The Science of Star Trek from the Tricorders to Warp Driveを執筆しています。