الفلك

كيف تتم مزامنة الساعات الذرية بين تلسكوبات VLBI العالمية؟

كيف تتم مزامنة الساعات الذرية بين تلسكوبات VLBI العالمية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أعلم أن VLBI يحتاج إلى ساعات ذرية متزامنة دقيقة لحساب المسافة الأساسية بين التلسكوبات الراديوية على مستوى سم. لكن لا يمكنني العثور على أي معلومات حول كيفية الحفاظ على مزامنة الساعات الذرية على مسافات طويلة (عدة آلاف من الكيلومترات حول العالم). بقدر ما أعرف أن نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ليس دقيقًا بدرجة كافية ... كيف تتم مزامنة الساعات الذرية على جميع تلسكوبات VLBI؟

شكرا جزيلا :)


ليس عليك أن يكون لديك مرجع قياسي للوقت المطلق لكل تلسكوب في مصفوفة VLBI ، وليس من الممكن القيام بذلك بالدقة اللازمة لتتبع مرحلة موجات 1.3 مم بتردد يبلغ 2.3 دولار مرة 10 ^ {11} دولار هرتز.

ما لديك هو مذبذب محلي دقيق للغاية ومستقر (مازر الهيدروجين) الذي يحدد الطوابع الزمنية لجميع البيانات المسجلة محليًا. يُستكمل هذا بإشارات GPS لوضع البيانات تقريبًا في نفس الإطار الزمني المطلق - أو "التزامن الخشن" ، كما يصفها ورقة معالجة البيانات M87 VLBI بواسطة Akiyama et al (2019).

يتم تسجيل البيانات وجمعها معًا من أجل الارتباط. يتم تصحيح كل زوج من الإشارات (من زوج من التلسكوبات) تقريبًا لمكان وجودهما على الأرض ، ويتأخر الطور المتوقع بسبب الغلاف الجوي والطابع الزمني المسجل من GPS. لا يمكن إجراء هذه العملية إلا لحوالي ثانية واحدة من البيانات في كل مرة قبل فقدان التماسك بسبب التغيرات في الظروف الجوية.

يتم بعد ذلك إدخال كل مجموعة بيانات ارتباط في خوارزمية تحسين عالمية تسمح بالتغيرات الصغيرة في الطور بسبب أخطاء الساعة والتغير الجوي أو التأخير في الإلكترونيات في كل موقع. الهدف هو تعظيم رؤية هامش inteference. قد تعتقد أن هذا النهج قد يكون له درجات كثيرة من الحرية ، لكن بالطبع لا يمكنك تغيير إزاحة الطور بشكل تعسفي في محطة واحدة دون الإخلال بالرؤية الهامشية المرئية بين تلك المحطة والمحطات الأخرى. يمكن جمع جوهر هذا من خلال النظر في إدخال ويكيبيديا في مرحلة الإغلاق ، على الرغم من أن الخوارزميات الفعلية المستخدمة لـ VLBI تبدو أكثر تعقيدًا إلى حد كبير.


لا يتعين عليهم مزامنة الساعات الذرية في كل تلسكوب. بدلاً من ذلك ، يقومون بمزامنة المجموعات باستخدام GPS (لذلك تراقب التلسكوبات نفس الهدف في نفس نطاق التردد في نفس الوقت) ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي من هذه الورقة.

عندما يتم تجميع البيانات معًا ، فإنها تستخدم الاختلافات بين أوقات وصول بيانات الكوازار لحساب مواقع الهوائي النسبية. من هذه الورقة من وكالة ناسا:

أثناء عمليات المراقبة الجيوديسية VLBI ، يتم استقبال الإشارات الصادرة عن مصادر بعيدة لطاقة التردد الراديوي (الكوازارات) وتسجيلها في عدة هوائيات. في كل هوائي (محطة VLBI) ، يوفر معيار تردد ثابت للغاية (مازر الهيدروجين) إشارة مرجعية تمكن من تحديد الوقت لإشارات الكوازار أثناء تسجيلها. بالنسبة لكل تجربة VLBI ، ينتج عن ارتباط المعلومات المسجلة الموسومة بعلامات زمنية من الهوائيات المشاركة الاختلافات بين أوقات وصول أي موجة راديوية كوازار محددة في الهوائيات. تُستخدم هذه الفروق الزمنية لحساب مواقع الهوائيات فيما يتعلق ببعضها البعض.


قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا

ماذا لو تمكنا من بناء تلسكوب بحجم الأرض؟ من الواضح أن هذا ليس عمليًا ، لكن الجمع بين تلسكوبات متعددة في مرصد عملاق واحد يجعلنا أقرب ما يمكن. باستخدام تقنية تُعرف باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI) ، يربط الباحثون الملاحظات من التلسكوبات الراديوية المفصولة بقارات كاملة في مرصد افتراضي واحد. يسمح VLBI برصد الضوء الراديوي عالي الدقة لمراكز المجرات ومناطق الفضاء الأخرى التي يصعب مراقبتها باستخدام التلسكوبات الفردية.


تربط الإشارات من النجوم البعيدة الساعات الذرية الضوئية عبر الأرض لأول مرة

تم استخدام الهوائيات والساعات الشبكية الضوئية. أعلى اليسار: هوائي 2.4 متر مركب في INAF ، إيطاليا. المنتصف العلوي: هوائي 2.4 متر مركب في NICT ، اليابان. أعلى اليمين: هوائي 34 م يقع في NICT ، اليابان. أسفل اليسار: ساعة شعرية بصرية من اليتربيوم تعمل في INRIM بإيطاليا. أسفل اليمين: الساعة الشبكية الضوئية السترونشيوم الموجودة في NICT ، اليابان. الائتمان: المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT) ، باستثناء أسفل اليسار. الائتمان: Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM))

باستخدام التلسكوبات الراديوية التي تراقب النجوم البعيدة ، ربط العلماء الساعات الذرية الضوئية في قارات مختلفة. تم نشر النتائج في المجلة العلمية فيزياء الطبيعة من خلال التعاون الدولي بين 33 من علماء الفلك وخبراء الساعة في المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT ، اليابان) ، و Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM ، إيطاليا) ، و Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF ، إيطاليا) ، و Bureau International des Poids et Mesures (BIPM ، فرنسا).

يحسب BIPM في Sèvres بالقرب من باريس بشكل روتيني الوقت الدولي الموصى به للاستخدام المدني (UTC ، التوقيت العالمي المنسق) من مقارنة الساعات الذرية عبر الاتصالات الساتلية. ومع ذلك ، فإن اتصالات الأقمار الصناعية الضرورية للحفاظ على توقيت عالمي متزامن لم تواكب تطور الساعات الذرية الجديدة: الساعات الضوئية التي تستخدم أشعة الليزر التي تتفاعل مع الذرات شديدة البرودة لإعطاء دقة دقيقة للغاية. قال جيرارد بيتي ، الفيزيائي في قسم الوقت في BIPM: "للحصول على الفائدة الكاملة للساعات الضوئية في التوقيت العالمي المنسق ، من المهم تحسين طرق مقارنة الساعات في جميع أنحاء العالم".

في هذا البحث الجديد ، تحل مصادر الراديو عالية الطاقة خارج المجرة محل الأقمار الصناعية كمصدر للإشارات المرجعية. صممت مجموعة Sekido Mamoru في NICT تلسكوبين راديو خاصين ، أحدهما منتشر في اليابان والآخر في إيطاليا ، لتحقيق الاتصال باستخدام تقنية قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). هذه التلسكوبات قادرة على الرصد عبر عرض نطاق ترددي كبير ، في حين أن أطباق الهوائي التي يبلغ قطرها 2.4 متر فقط تجعلها قابلة للنقل. "نريد أن نظهر أن النطاق العريض VLBI لديه القدرة على أن يكون أداة قوية ليس فقط للجيوديسيا وعلم الفلك ، ولكن أيضًا للقياس." علق Sekido. للوصول إلى الحساسية المطلوبة ، عملت الهوائيات الصغيرة جنبًا إلى جنب مع تلسكوب لاسلكي أكبر بحجم 34 مترًا في كاشيما ، اليابان خلال القياسات المأخوذة من 14 أكتوبر 2018 إلى 14 فبراير 2019. بالنسبة لتلسكوب كاشيما الراديوي ، كانت هذه من بين الملاحظات الأخيرة قبل تضرر التلسكوب بشكل لا يمكن إصلاحه بسبب إعصار فاكساي في سبتمبر 2019.

كان الهدف من التعاون هو توصيل ساعتين بصريتين في إيطاليا واليابان ، مفصولة بمسافة أساسية تبلغ 8700 كيلومتر. تحمل هذه الساعات مئات الذرات شديدة البرودة في شبكة بصرية ، وهي مصيدة ذرية مصممة بضوء الليزر. تستخدم الساعات أنواعًا ذرية مختلفة: الإيتربيوم للساعة في INRIM والسترونشيوم في NICT. كلاهما مرشح لإعادة تعريف الثانية في المستقبل في النظام الدولي للوحدات (SI). قال دافيد كالونيكو ، رئيس الشركة: "اليوم ، يدفع الجيل الجديد من الساعات الضوئية لمراجعة تعريف الثانية. يجب أن يواجه الطريق إلى إعادة التعريف التحدي المتمثل في مقارنة الساعات عالميًا ، على نطاق عابر للقارات ، بأداء أفضل من اليوم". من قسم القياس الكمي وتقنية النانو ومنسق البحث في INRIM.

الاتصال ممكن من خلال مراقبة الكوازارات التي تبعد بلايين السنين الضوئية: مصادر الراديو التي تعمل بالثقوب السوداء التي تزن ملايين الكتل الشمسية ، ولكنها بعيدة جدًا بحيث يمكن اعتبارها نقاطًا ثابتة في السماء. تهدف التلسكوبات إلى نجم مختلف كل بضع دقائق للتعويض عن تأثيرات الغلاف الجوي. علق IDO Tetsuya ، مدير "مختبر معايير الفضاء والزمان" ومنسق البحث في NICT: "لقد لاحظنا الإشارة ليس من الأقمار الصناعية ، ولكن من مصادر الراديو الكونية". وأضافت المنظمة الدولية للتكنولوجيا "VLBI قد تسمح لنا في آسيا بالوصول إلى التوقيت العالمي المنسق (UTC) بالاعتماد على ما يمكننا تحضيره بأنفسنا".

يمكن تركيب الهوائيات مثل تلك القابلة للنقل المستخدمة في هذه القياسات مباشرة في المختبرات التي تطور الساعات الضوئية حول العالم. وفقًا لـ Sekido ، "يمكن تحقيق شبكة ساعة بصرية عالمية متصلة بواسطة VLBI من خلال التعاون بين المجتمعات الدولية للقياس والجيوديسيا ، تمامًا مثل شبكة VLBI عريضة النطاق لنظام المراقبة العالمي VLBI (VGOS) التي تم إنشاؤها بالفعل" ، بينما تم بالفعل إنشاء Petit علق قائلاً ، "في انتظار وصلات بصرية بعيدة المدى ، يُظهر هذا البحث أنه لا يزال هناك الكثير للاستفادة من الوصلات اللاسلكية ، حيث يمكن لـ VLBI مع الهوائيات المنقولة أن تكمل أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية وأقمار الاتصالات."

إلى جانب تحسين ضبط الوقت الدولي ، تفتح مثل هذه البنية التحتية أيضًا طرقًا جديدة لدراسة الفيزياء الأساسية والنسبية العامة ، لاستكشاف الاختلافات في مجال جاذبية الأرض ، أو حتى تباين الثوابت الأساسية الكامنة وراء الفيزياء. علق Federico Perini ، منسق البحث في INAF ، قائلاً: "نحن فخورون بأن نكون جزءًا من هذا التعاون للمساعدة في تحقيق خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير تقنية تجعل من الممكن ، باستخدام مصادر الراديو الأبعد في الكون ، قياس الترددات الناتجة عن اثنتين من أكثر الساعات دقة هنا على الأرض ". ويخلص كالونيكو إلى أن "مقارنتنا باستخدام VLBI تعطي منظورًا جديدًا لتحسين واستقصاء طرق جديدة لمقارنات الساعة ، وكذلك النظر في التلوث بين التخصصات المختلفة."


إشارات من نجوم بعيدة تربط الساعات الذرية الضوئية عبر الأرض لأول مرة

يمكن أن توفر التلسكوبات الراديوية القابلة للنقل مقارنات عالمية عالية الدقة لأفضل الساعات الذرية.

المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica
Istituto Nazionale di Astrofisica
المكتب الدولي des Poids et Mesures

الاتصال ممكن من خلال مراقبة الكوازارات التي تبعد بلايين السنين الضوئية: مصادر الراديو التي تعمل بالثقوب السوداء التي تزن ملايين الكتل الشمسية ، ولكنها بعيدة جدًا بحيث يمكن اعتبارها نقاطًا ثابتة في السماء. تهدف التلسكوبات إلى نجم مختلف كل بضع دقائق للتعويض عن تأثيرات الغلاف الجوي. & ldquo لاحظنا الإشارة ليس من الأقمار الصناعية ، ولكن من مصادر الراديو الكونية ، وعلّق IDO Tetsuya ، مدير & quot؛ مختبر معايير الفضاء والوقت & quot ومنسق البحث في NICT. & ldquoVLBI قد تسمح لنا في آسيا بالوصول إلى UTC اعتمادًا على ما يمكننا تحضيره بأنفسنا. & rdquo IDO مضافة.

الهوائيات والساعات الشبكية الضوئية المستخدمة في القياسات

تواصل إعلامي

المكتب الإعلامي لـ NICT ، إدارة العلاقات العامة:
هيروتا ساتشيكو

بريد إلكتروني:

مكتب اتصالات INRIM:
باربرا فراكاسي

بريد إلكتروني:

المكتب الصحفي INAF:
ماركو جالياني

بريد إلكتروني:

قسم الوقت BIPM:
جيرارد بيتي

بريد إلكتروني:


التلسكوبات الراديوية القابلة للنقل والمستخدمة لإجراء مقارنات دقيقة لأفضل الساعات الذرية

قام الباحثون بربط الساعات الذرية الضوئية في كل قارة من خلال مراقبة النجوم البعيدة من خلال التلسكوبات الراديوية.

تم الإبلاغ عن النتائج في المجلة العلمية Nature Physics من قبل رابطة دولية بين 33 من علماء الفلك والمتخصصين في الساعة من المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT ، اليابان) ، Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM ، إيطاليا) ، Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF ، إيطاليا) ، والمكتب الدولي des Poids et Mesures (BIPM ، فرنسا). يحسب BIPM في Sèvres القريبة من باريس بانتظام التوقيت الدولي المقترح للاستخدام المدني (UTC ، التوقيت العالمي المنسق) من مقارنة الساعات الذرية من خلال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

لكن اتصالات الأقمار الصناعية الحاسمة للحفاظ على الوقت العالمي المتزامن لم تكن قادرة على التطابق مع تطور الساعات الذرية الجديدة - الساعات الضوئية التي تستخدم أشعة الليزر التي تتفاعل مع الذرات شديدة البرودة لتوفير دقة متطورة للغاية.

للاستفادة الكاملة من الساعات الضوئية بالتوقيت العالمي المنسق (UTC) ، من المهم تحسين طرق مقارنة الساعة في جميع أنحاء العالم.

في هذه الدراسة الأخيرة ، تحل مصادر الراديو عالية الطاقة خارج المجرة محل الأقمار الصناعية كمصدر للإشارات المرجعية. صمم فريق Mamoru Sekido في NICT تلسكوبين راديويين فريدين - أحدهما مثبت في إيطاليا والآخر في اليابان ، لتحقيق الاتصال باستخدام طريقة قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). يمكن لمثل هذه التلسكوبات المراقبة عبر عرض نطاق ترددي كبير ، بينما تضمن أطباق الهوائي التي يبلغ قطرها 2.4 متر أنها قابلة للنقل.

"نريد أن نظهر أن النطاق العريض VLBI لديه القدرة على أن يكون أداة قوية ليس فقط للجيوديسيا وعلم الفلك ، ولكن أيضًا للقياس ،" قال سيكيدو.

لتحقيق الحساسية المرغوبة ، تم تشغيل الهوائيات الصغيرة جنبًا إلى جنب مع تلسكوب لاسلكي أكبر يبلغ قطره 34 مترًا تم نشره في كاشيما ، اليابان ، خلال القياسات التي تم إجراؤها بين 14 أكتوبر 2018 و 14 فبراير 2019. كانت هذه من بين الملاحظات الأخيرة التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب كاشيما الراديوي قبل تدمير التلسكوب بالكامل بواسطة إعصار فاكساي في سبتمبر 2019.

كان الهدف من الشراكة هو ربط ساعتين بصريتين في اليابان وإيطاليا ، مقسومة على مسافة أساسية تبلغ 8700 كيلومتر. تحمل هذه الساعات الضوئية عددًا غير محدود من الذرات شديدة البرودة في شبكة ضوئية - مصيدة ذرية مصممة بضوء الليزر. تستخدم الساعات أنواعًا ذرية مختلفة: أي السترونشيوم للساعة في NICT و ytterbium للساعة في INRIM. كلتا الساعتين مرشحتان لإعادة هندسة الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI).

اليوم ، يدفع الجيل الجديد من الساعات الضوئية لمراجعة تعريف الثانية. يجب أن يواجه الطريق إلى إعادة التعريف تحدي مقارنة الساعات عالميًا ، على نطاق عابر للقارات ، بأداء أفضل من اليوم.

تم تحقيق الاتصال من خلال المراقبة عن كثب للكوازارات على بعد مليارات السنين الضوئية: مصادر الراديو مدفوعة بالثقوب السوداء التي تزن ملايين الكتل الشمسية ، ولكنها بعيدة جدًا بحيث يمكن اعتبارها نقاطًا ثابتة في السماء. تستهدف التلسكوبات نجمًا مختلفًا كل بضع دقائق لتعويض تأثيرات الغلاف الجوي.

لاحظنا الإشارة ليس من الأقمار الصناعية ، ولكن من مصادر الراديو الكونية. قد يسمح لنا VLBI في آسيا بالوصول إلى UTC اعتمادًا على ما يمكننا تحضيره بأنفسنا.

يمكن نشر الهوائيات مثل النماذج القابلة للنقل المستخدمة في هذه الأنواع من القياسات مباشرةً في المختبرات التي تصنع الساعات الضوئية في جميع أنحاء العالم.

أوضح Sekido ، "يمكن تحقيق شبكة ساعة بصرية عالمية متصلة بواسطة VLBI من خلال التعاون بين المجتمعات الدولية للقياس والجيوديسيا ، تمامًا مثل شبكة VLBI عريضة النطاق لنظام المراقبة العالمي VLBI (VGOS) التي تم إنشاؤها بالفعل."

وأضاف بيتيت: "في انتظار روابط بصرية بعيدة المدى ، يُظهر هذا البحث أنه لا يزال هناك مكسب من الروابط اللاسلكية ، حيث يمكن أن تكمل VLBI مع الهوائيات القابلة للنقل أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية وأقمار الاتصالات."

بصرف النظر عن تعزيز ضبط الوقت الدولي ، تمهد هذه البنية التحتية أيضًا الطريق لاستكشاف الفيزياء الأساسية والنسبية العامة ، للتحقيق في الاختلافات في مجال جاذبية الأرض ، أو حتى اختلاف الثوابت الأساسية الأساسية في الفيزياء.

صرح Federico Perini ، منسق الدراسة في INAF ، قائلاً: "نحن فخورون بأن نكون جزءًا من هذا التعاون للمساعدة في تحقيق خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير تقنية تجعل من الممكن ، باستخدام مصادر الراديو الأبعد في الكون ، قياس الترددات الناتجة عن اثنتين من أكثر الساعات دقة هنا على الأرض ".

وخلص كالونيكو إلى أن "مقارنتنا باستخدام VLBI تعطي منظورًا جديدًا لتحسين واستقصاء الأساليب الجديدة لمقارنات الساعة ، وكذلك النظر في التلوث بين التخصصات المختلفة".

بيزوكارو ، م ، وآخرون. (2020) مقارنة بين القارات للساعات الذرية الضوئية من خلال قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا. فيزياء الطبيعة. doi.org/10.1038/s41567-020-01038-6.

هل لديك مراجعة أو تحديث أو أي شيء تود إضافته إلى هذه القصة الإخبارية؟

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط لتحسين تجربتك. من خلال الاستمرار في تصفح هذا الموقع ، فإنك توافق على استخدامنا لملفات تعريف الارتباط.
مزيد من المعلومات.

المصدر: https: // www.azoquantum.com/News.aspx؟ newsID = 7487

الساعة الذرية ، الذرة ، المراقبة ، التلسكوب الراديوي ، الشبكة البصرية ، النجم

أخبار العالم & # 8211 GB & # 8211 تلسكوبات راديو قابلة للنقل تستخدم لمقارنات دقيقة لأفضل الساعات الذرية


الصورة: ظل الثقب الأسود في M 87

تلسكوب أفق الحدث (EHT) - مجموعة على مستوى الكوكب من ثمانية تلسكوبات راديوية أرضية تم تشكيلها من خلالها. [أكثر]

تم تصميم Event Horizon Telescope (EHT) - وهو عبارة عن مجموعة على مستوى الكوكب من ثمانية تلسكوبات راديوية أرضية تم إنشاؤها من خلال التعاون الدولي - لالتقاط صور للثقب الأسود. في مؤتمرات صحفية منسقة في جميع أنحاء العالم ، كشف باحثو EHT أنهم نجحوا ، حيث كشفوا النقاب عن أول دليل مرئي مباشر للثقب الأسود الهائل في مركز Messier 87 وظلها.

ظل الثقب الأسود الذي نراه هنا هو أقرب ما يمكن أن نصل إليه من صورة الثقب الأسود نفسه ، وهو جسم مظلم تمامًا لا يمكن للضوء الهروب منه. حدود الثقب الأسود - أفق الحدث الذي يأخذ منه اسم EHT - أصغر بحوالي 2.5 مرة من الظل الذي يلقيه ويبلغ عرضه أقل بقليل من 40 مليار كيلومتر. على الرغم من أن هذا قد يبدو كبيرًا ، إلا أن هذه الحلقة لا يتجاوز عرضها 40 ميكرو ثانية - أي ما يعادل قياس طول بطاقة الائتمان على سطح القمر.

على الرغم من أن التلسكوبات المكونة لـ EHT ليست متصلة ماديًا ، إلا أنها قادرة على مزامنة بياناتها المسجلة مع الساعات الذرية - مايزرات الهيدروجين - التي تحدد توقيت ملاحظاتها بدقة. تم جمع هذه الملاحظات بطول موجة 1.3 ملم خلال حملة عالمية عام 2017. أنتج كل تلسكوب من EHT كميات هائلة من البيانات - حوالي 350 تيرابايت في اليوم - والتي تم تخزينها على محركات أقراص صلبة عالية الأداء مليئة بالهيليوم. تم نقل هذه البيانات جواً إلى أجهزة كمبيوتر فائقة التخصص - تُعرف باسم المترابطات - في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي ومرصد MIT Haystack ليتم دمجها. ثم تم تحويلها بشق الأنفس إلى صورة باستخدام أدوات حسابية جديدة طورها التعاون.

تم تصميم Event Horizon Telescope (EHT) - وهو عبارة عن مجموعة على مستوى الكوكب من ثمانية تلسكوبات راديوية أرضية تم إنشاؤها من خلال التعاون الدولي - لالتقاط صور للثقب الأسود. في مؤتمرات صحفية منسقة في جميع أنحاء العالم ، كشف باحثو EHT أنهم نجحوا ، حيث كشفوا النقاب عن أول دليل مرئي مباشر للثقب الأسود الهائل في مركز Messier 87 وظلها.

ظل الثقب الأسود الذي نراه هنا هو أقرب ما يمكن أن نصل إليه من صورة الثقب الأسود نفسه ، وهو جسم مظلم تمامًا لا يمكن للضوء الهروب منه. حدود الثقب الأسود - أفق الحدث الذي يأخذ منه اسم EHT - أصغر بحوالي 2.5 مرة من الظل الذي يلقيه ويبلغ عرضه أقل بقليل من 40 مليار كيلومتر. على الرغم من أن هذا قد يبدو كبيرًا ، إلا أن هذه الحلقة لا يتجاوز عرضها 40 ميكرو ثانية - أي ما يعادل قياس طول بطاقة الائتمان على سطح القمر.

على الرغم من أن التلسكوبات المكونة لـ EHT ليست متصلة ماديًا ، إلا أنها قادرة على مزامنة بياناتها المسجلة مع الساعات الذرية - مايزرات الهيدروجين - التي تحدد توقيت ملاحظاتها بدقة. تم جمع هذه الملاحظات بطول موجة 1.3 ملم خلال حملة عالمية عام 2017. أنتج كل تلسكوب من EHT كميات هائلة من البيانات - حوالي 350 تيرابايت في اليوم - والتي تم تخزينها على محركات أقراص صلبة عالية الأداء مليئة بالهيليوم. تم نقل هذه البيانات جواً إلى أجهزة كمبيوتر فائقة التخصص - تُعرف باسم المترابطات - في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي ومرصد MIT Haystack ليتم دمجها. ثم تم تحويلها بشق الأنفس إلى صورة باستخدام أدوات حسابية جديدة طورها التعاون.


تكتسب ALMA قدرة جديدة في أول مراقبة ناجحة لـ VLBI

جمعت مجموعة Atacama Large Millimeter / submillimeter (ALMA) مؤخرًا منطقة التجميع الهائلة وحساسيتها مع تلك الموجودة في تلسكوب APEX (تجربة Atacama Pathfinder) لإنشاء أداة واحدة جديدة من خلال عملية تُعرف باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI).

في VLBI ، يتم دمج البيانات من مقرابين مستقلين لتشكيل تلسكوب افتراضي يمتد عبر المسافة الجغرافية بينهما ، مما ينتج عنه قوة تكبير غير عادية.

كانت مراقبة ALMA / APEX الجديدة ، التي أجريت في 13 يناير ، اختبارًا أساسيًا لإثبات المفهوم لتلسكوب Event Horizon Telescope (EHT) المخطط له ، والذي سيشمل في النهاية شبكة عالمية من التلسكوبات ذات الطول الموجي المليمتر. عند تجميعه بالكامل ، سيشكل EHT - مع ALMA باعتباره أكبر المواقع وأكثرها حساسية - تلسكوبًا بحجم الأرض بقوة مكبرة مطلوبة لرؤية التفاصيل على حافة الثقب الأسود الهائل في مركز مجرة ​​درب التبانة.

من أجل هذه الملاحظة الأولى من نوعها ، درس ALMA وتلسكوب APEX القريب المتزامن الكوازار المعروف باسم 0522-364 - وهي مجرة ​​بعيدة تُستخدم عادةً للاختبار في علم الفلك الراديوي نظرًا لسطوعها الرائع. لضمان تزامن التلسكوبات ، استخدمت ALMA ساعتها الذرية المثبتة حديثًا وذات الدقة العالية لترميز البيانات أثناء جمعها. يعد هذا ضروريًا لـ VLBI لأنه يتيح مطابقة البيانات المأخوذة في مواقع جغرافية مختلفة على تلسكوبات مختلفة بدقة ودمجها بدقة.

كاختبار أول للنظام ، تم إرسال جزء مدته 5 ثوانٍ من دفقين من البيانات عبر الإنترنت إلى مرصد Haystack المرصد VLBI التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والذي جمع الإشارات في ملاحظة واحدة. أكد هذا أن النظام كان يعمل بشكل صحيح وأن الساعة الذرية ALMA مستقرة بدرجة كافية لـ VLBI: معلم مهم في تحقيق إمكانات ALMA الكاملة للتأثير على EHT.

تم التقاط مجموعة البيانات الكاملة من تشغيل المراقبة على محركات الأقراص الثابتة وإعادتها إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حيث ستخضع لتحليل كامل. نظرًا للكم الهائل من المعلومات التي تم جمعها ، فإن السفر الجوي هو أسرع وسيلة لنقل البيانات ، حتى أنه أسرع من أسرع اتصال إنترنت دولي.

"الفريق بأكمله ممتن للغاية لتحقيق هذا النجاح في أول محاولة VLBI مع ALMA. إنه يمثل خطوة كبيرة نحو صنع الصور الأولى لثقب أسود باستخدام Event Horizon Telescope ، & # 8221 قال Shep Doeleman ، الباحث الرئيسي في مشروع ALMA التدريجي ومساعد مدير مرصد Haystack التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وعالم الفيزياء الفلكية في Smithsonian مرصد الفيزياء الفلكية.

تم تنفيذ هذا العمل الأخير من قبل فريق مكون من أعضاء من مشروع ALMA التدريجي ومرصد ALMA المشترك ومرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية وتلسكوب APEX.

يمكن العثور على تفاصيل حول الساعة الذرية لمازر الهيدروجين المثبتة حديثًا من ALMA هنا: ALMA Maser Upgrade.

الاتصال: تشارلز بلو
(434) 296-0314 [email protected]

المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي هو مرفق تابع لمؤسسة العلوم الوطنية ، ويتم تشغيله بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities، Inc.


تكتسب ALMA قدرة جديدة في أول ملاحظة VLBI لها

جمعت مجموعة Atacama Large Millimeter / submillimeter (ALMA) مؤخرًا منطقة التجميع الهائلة وحساسيتها مع تلك الموجودة في تلسكوب APEX (تجربة Atacama Pathfinder) لإنشاء أداة واحدة جديدة من خلال عملية تُعرف باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). في VLBI ، يتم دمج البيانات من مقرابين مستقلين لتشكيل تلسكوب افتراضي يمتد عبر المسافة الجغرافية بينهما ، مما ينتج عنه قوة تكبير غير عادية.

كانت مراقبة ALMA / APEX الجديدة ، التي أجريت في 13 يناير ، اختبارًا أساسيًا لإثبات المفهوم لتلسكوب Event Horizon Telescope (EHT) المخطط له ، والذي سيشمل في النهاية شبكة عالمية من التلسكوبات ذات الطول الموجي المليمتر. عند تجميعه بالكامل ، سيشكل EHT - مع ALMA باعتباره أكبر المواقع وأكثرها حساسية - تلسكوبًا بحجم الأرض بقوة مكبرة مطلوبة لرؤية التفاصيل على حافة الثقب الأسود الهائل في مركز مجرة ​​درب التبانة.

من أجل هذه الملاحظة الأولى من نوعها ، درس ALMA وتلسكوب APEX القريب المتزامن الكوازار المعروف باسم 0522-364 - وهي مجرة ​​بعيدة تُستخدم عادةً للاختبار في علم الفلك الراديوي نظرًا لسطوعها الرائع. لضمان تزامن التلسكوبات ، استخدمت ALMA ساعتها الذرية الدقيقة المثبتة حديثًا (انظر إعلان ALMA) لترميز البيانات أثناء جمعها. يعد هذا ضروريًا لـ VLBI لأنه يتيح مطابقة البيانات المأخوذة في مواقع جغرافية مختلفة على تلسكوبات مختلفة بدقة ودمجها بدقة.

لقد نجحت ALMA ، مصفوفة Atacama Large Millimeter / submillimeter ، في الجمع بين منطقة التجميع الهائلة وحساسيتها مع منطقة APEX (تجربة Atacama Pathfinder) لإنشاء أداة واحدة جديدة من خلال عملية تُعرف باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI). استخدمت هذه الملاحظة الناجحة الأولى باستخدام VLBI مع ALMA خط أساس يبلغ 2.1 كم ، وكانت اختبارًا أساسيًا لإثبات المفهوم لتلسكوب Event Horizon المخطط له ، والذي سيشمل في النهاية شبكة عالمية من التلسكوبات ذات الطول الموجي المليمتر. Crédito: Clem & amp Adri Bacri-Normier (wingforscience.com) / ESO.

تم التقاط مجموعة البيانات الكاملة من تشغيل المراقبة على محركات الأقراص الثابتة وإعادتها إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حيث ستخضع لتحليل كامل. نظرًا للكم الهائل من المعلومات التي تم جمعها ، فإن السفر الجوي هو أسرع وسيلة لنقل البيانات ، حتى أنه أسرع من أسرع اتصال إنترنت دولي.

& # 8220 الفريق بأكمله ممتن للغاية لتحقيق هذا النجاح في أول محاولة VLBI مع ALMA. يمثل خطوة كبيرة نحو صنع الصور الأولى للثقب الأسود باستخدام Event Horizon Telescope & # 8221 قال شيب دويلمان ، الباحث الرئيسي في مشروع ALMA المرحلي ومساعد مدير معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومرصد كومة القش # 8217.

تم تنفيذ هذا العمل الأخير من قبل فريق مكون من أعضاء من مشروع ALMA التدريجي ومرصد ALMA المشترك ومرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية وتلسكوب APEX.

معلومات اكثر

مصفوفة Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ، وهي منشأة دولية لعلم الفلك ، هي شراكة بين المنظمة الأوروبية للبحوث الفلكية في نصف الكرة الجنوبي (ESO) ، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) والمعاهد الوطنية للعلوم الطبيعية ( NINS) اليابانية بالتعاون مع جمهورية تشيلي. يتم تمويل ALMA من قبل ESO نيابة عن الدول الأعضاء فيها ، من قبل NSF بالتعاون مع المجلس الوطني للبحوث في كندا (NRC) والمجلس الوطني للعلوم في تايوان (NSC) ومن قبل NINS بالتعاون مع Academia Sinica (AS) في تايوان والمعهد الكوري لعلوم الفضاء والفلك (KASI).

يتولى مرصد علم الفلك الراديوي الوطني (NRAO) إدارة إنشاءات وعمليات ALMA بالنيابة عن الدول الأعضاء فيها ، وتديره Associated Universities، Inc. (AUI) نيابة عن أمريكا الشمالية والمرصد الفلكي الوطني في اليابان (NAOJ) ) نيابة عن شرق آسيا. يوفر مرصد ALMA المشترك (JAO) القيادة الموحدة والإدارة لبناء وتشغيل وتشغيل ALMA.


تعمل المراصد في جميع أنحاء العالم معًا كـ "تلسكوب افتراضي" ، وتنتج أول صور مباشرة لثقب أسود

يتم توفير الصور للتنزيل على موقع مكتب MIT الإخباري للكيانات غير التجارية والصحافة وعامة الجمهور بموجب ترخيص Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. لا يجوز لك تغيير الصور المقدمة ، بخلاف قصها حسب الحجم. يجب استخدام حد ائتمان عند إعادة إنتاج الصور إذا لم يتم توفير أحدها أدناه ، فامنح الصور إلى "MIT".

الصورة السابقة الصورة التالية

التقط فريق دولي مكون من أكثر من 200 عالم فلك ، بما في ذلك علماء من مرصد Haystack التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أول صور مباشرة لثقب أسود. لقد أنجزوا هذا الإنجاز الرائع من خلال تنسيق قوة ثمانية مراصد راديو رئيسية في أربع قارات ، للعمل معًا كتلسكوب افتراضي بحجم الأرض.

في سلسلة أوراق بحثية نشرت اليوم في عدد خاص من رسائل مجلة الفيزياء الفلكية، كشف الفريق عن أربع صور للثقب الأسود الهائل في قلب Messier 87 ، أو M87 ، وهي مجرة ​​داخل مجموعة مجرات العذراء ، على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض.

تُظهر الصور الأربعة منطقة مركزية مظلمة محاطة بحلقة من الضوء تبدو غير متوازنة - أكثر إشراقًا من جانب آخر.

تنبأ ألبرت أينشتاين ، في نظريته عن النسبية العامة ، بوجود ثقوب سوداء ، في شكل مناطق مضغوطة لا متناهية في الفضاء ، حيث الجاذبية شديدة للغاية بحيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب من الداخل. بحكم التعريف ، الثقوب السوداء غير مرئية. ولكن إذا كان الثقب الأسود محاطًا بمواد تصدر ضوءًا مثل البلازما ، فإن معادلات أينشتاين تتنبأ بأن بعض هذه المواد يجب أن تخلق "ظلًا" أو مخططًا للثقب الأسود وحدوده ، والمعروف أيضًا باسم أفق الحدث.

استنادًا إلى الصور الجديدة لـ M87 ، يعتقد العلماء أنهم يرون ظل ثقب أسود لأول مرة ، على شكل المنطقة المظلمة في وسط كل صورة.

تتنبأ النسبية بأن مجال الجاذبية الهائل سوف يتسبب في انحناء الضوء حول الثقب الأسود ، مكونًا حلقة ساطعة حول صورته الظلية ، كما سيتسبب أيضًا في دوران المواد المحيطة حول الجسم بسرعة تقترب من سرعة الضوء. تقدم الحلقة الساطعة غير المتوازنة في الصور الجديدة تأكيدًا مرئيًا لهذه التأثيرات: تبدو المادة التي تتجه نحو نقطة الأفضلية لدينا بينما تدور حولها أكثر إشراقًا من الجانب الآخر.

من هذه الصور ، توصل المنظرون والمصممون في الفريق إلى أن حجم الثقب الأسود أكبر بنحو 6.5 مليار مرة من كتلة شمسنا. تشير الاختلافات الطفيفة بين كل صورة من الصور الأربع إلى أن المادة تدور حول الثقب الأسود بسرعة البرق.

يقول جيفري كرو ، عالم الأبحاث في مرصد Haystack: "هذا الثقب الأسود أكبر بكثير من مدار نبتون ، ويستغرق نبتون 200 عام ليدور حول الشمس". "نظرًا لكون الثقب الأسود M87 ضخمًا للغاية ، فإن كوكبًا يدور حوله في غضون أسبوع وسيسافر بسرعة تقترب من سرعة الضوء."

يقول فينسينت فيش ، عالم الأبحاث في مرصد Haystack: "يميل الناس إلى النظر إلى السماء على أنها شيء ثابت ، وأن الأشياء لا تتغير في السماء ، أو إذا حدث ذلك ، فهي على فترات زمنية أطول من عمر الإنسان". "ولكن ما نجده في M87 هو ، في التفاصيل الدقيقة للغاية التي لدينا ، تتغير الكائنات وفقًا لمقياس الوقت للأيام. في المستقبل ، ربما يمكننا إنتاج أفلام من هذه المصادر. اليوم نشهد إطارات البداية ".

تقول ماريا زوبر ، نائبة رئيس معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للأبحاث و E. جريسوولد أستاذ الجيوفيزياء في قسم علوم الأرض والغلاف الجوي والكواكب. "تم تمكين هذا الاكتشاف من خلال التقدم في الأنظمة الرقمية التي برع فيها مهندسو Haystack منذ فترة طويلة."

"الطبيعة كانت طيبة"

تم التقاط الصور بواسطة Event Horizon Telescope ، أو EHT ، وهي مجموعة على مستوى الكوكب تتألف من ثمانية تلسكوبات لاسلكية ، كل منها في بيئة بعيدة وعالية الارتفاع ، بما في ذلك قمم جبال هاواي وسييرا نيفادا الإسبانية والصحراء التشيلية والقطب الجنوبي. طبقة جليدية.

في أي يوم ، يعمل كل تلسكوب بشكل مستقل ، ويراقب الأجسام الفيزيائية الفلكية التي تنبعث منها موجات راديو خافتة. ومع ذلك ، فإن الثقب الأسود أصغر حجمًا وأغمق من أي مصدر راديو آخر في السماء. لرؤيتها بوضوح ، يحتاج علماء الفلك إلى استخدام أطوال موجية قصيرة جدًا - في هذه الحالة ، 1.3 ملم - يمكنها قطع غيوم المواد بين الثقب الأسود والأرض.

يتطلب صنع صورة للثقب الأسود أيضًا تكبيرًا أو "دقة زاوية" ، يعادل قراءة نص على هاتف في نيويورك من مقهى على الرصيف في باريس. دقة زاوية التلسكوب تزداد مع حجم طبق الاستقبال الخاص به. ومع ذلك ، فحتى أكبر التلسكوبات الراديوية على الأرض ليست كبيرة بما يكفي لرؤية ثقب أسود.

ولكن عندما تتم مزامنة عدة تلسكوبات راديوية ، مفصولة بمسافات كبيرة جدًا ، وتركز على مصدر واحد في السماء ، يمكن أن تعمل كطبق راديو واحد كبير جدًا ، من خلال تقنية تُعرف باسم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا ، أو VLBI. نتيجة لذلك ، يمكن تحسين دقة الزوايا المجمعة بشكل كبير.

For EHT, the eight participating telescopes summed up to a virtual radio dish as big as the Earth, with the ability to resolve an object down to 20 micro-arcseconds — about 3 million times sharper than 20/20 vision. By a happy coincidence, that’s about the precision required to view a black hole, according to Einstein’s equations.

“Nature was kind to us, and gave us something just big enough to see by using state-of-the-art equipment and techniques,” says Crew, co-leader of the EHT correlation working group and the ALMA Observatory VLBI team.

“Gobs of data”

On April 5, 2017, the EHT began observing M87. After consulting numerous weather forecasts, astronomers identified four nights that would produce clear conditions for all eight observatories — a rare opportunity, during which they could work as one collective dish to observe the black hole.

In radio astronomy, telescopes detect radio waves, at frequencies that register incoming photons as a wave, with an amplitude and phase that’s measured as a voltage. As they observed M87, every telescope took in streams of data in the form of voltages, represented as digital numbers.

“We’re recording gobs of data — petabytes of data for each station,” Crew says.

In total, each telescope took in about one petabyte of data, equal to 1 million gigabytes. Each station recorded this enormous influx that onto several Mark6 units — ultrafast data recorders that were originally developed at Haystack Observatory.

After the observing run ended, researchers at each station packed up the stack of hard drives and flew them via FedEx to Haystack Observatory, in Massachusetts, and Max Planck Institute for Radio Astronomy, in Germany. (Air transport was much faster than transmitting the data electronically.) At both locations, the data were played back into a highly specialized supercomputer called a correlator, which processed the data two streams at a time.

As each telescope occupies a different location on the EHT’s virtual radio dish, it has a slightly different view of the object of interest — in this case, M87. The data received by two separate telescopes may encode a similar signal of the black hole but also contain noise that’s specific to the respective telescopes.

The correlator lines up data from every possible pair of the EHT’s eight telescopes. From these comparisons, it mathematically weeds out the noise and picks out the black hole’s signal. High-precision atomic clocks installed at every telescope time-stamp incoming data, enabling analysts to match up data streams after the fact.

“Precisely lining up the data streams and accounting for all kinds of subtle perturbations to the timing is one of the things that Haystack specializes in,” says Colin Lonsdale, Haystack director and vice chair of the EHT directing board.

Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of “correlating” the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

“It was the second week of June, and I remember I didn’t sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared,” says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. Importantly, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

“The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment,” Akiyama remembers. “But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image.”

His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, and found, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure — the first direct images of a black hole.

“There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone’s ever taken a picture of one,” Crew says. “This is a watershed moment.”

The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman PhD ’95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. At the time, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

“The concept of imaging a black hole has been around for decades,” Lonsdale says. “But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, hey, [imaging a black hole] isn’t absolutely crazy.”

In 2007, Doeleman’s team put the EHT concept to the test, installing Haystack’s recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

“We didn’t have enough dishes to make an image,” recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. “But we could see there was something there that’s about the right size.”

Today, the EHT has grown to an array of 11 observatories: ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope. (Read further in the related press release.)

Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

“We’ve demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale,” Akiyama says. “This is the dawn of a new era of black hole astrophysics.”

The Haystack EHT team includes John Barrett, Roger Cappallo, Joseph Crowley, Mark Derome, Kevin Dudevoir, Michael Hecht, Lynn Matthews, Kotaro Moriyama, Michael Poirier, Alan Rogers, Chester Ruszczyk, Jason SooHoo, Don Sousa, Michael Titus, and Alan Whitney. Additional contributors were MIT alumni Daniel Palumbo, Katie Bouman, Lindy Blackburn, Sera Markoff, and Bill Freeman, a professor in MIT’s Department of Electrical Engineering and Computer Science.


Taking the First Picture of a Black Hole [8] Challenges in obtaining an image of a SMBH

“Seeing a black hole” has been a long-cherished desire for many astronomers, but now, thanks to the Event Horizon Telescope (EHT) and the Global mm-VLBI Array (GMVA) projects, it may no longer be just a dream. To make it possible to image the shadow of the event horizon of Sagittarius A*, many researchers and leading-edge technologies have been mobilized — because obtaining an image of a black hole is not as easy as snapping a photo with an ordinary camera.

Sagittarius A* has a mass of approximately four million times that of the Sun, but it only looks like a tiny dot from Earth, 26 000 light-years away. To capture its image, incredibly high resolution is needed. As explained in the sixth post of this blog series, the key is to use Very-Long-Baseline Interferometry (VLBI), a technique that combines the observing power of and the data from telescopes around the world to create a virtual giant radio telescope.

The resolution of a telescope can be calculated from the radio wavelength the telescope is observing at and the size of the telescope — or in VLBI, the distance between the antennas. However, while actually observing, several kinds of noise and errors interfere with the telescope’s performance and affect the resolution.

In VLBI, each antenna is equipped with an extremely precise atomic clock to record the time at which radio signals from the target object were received. The gathered data are synthesized using the times as a reference, so that the arrival time of the radio waves to each antenna can be accurately adjusted.

But this process isn’t always straightforward because the Earth’s atmosphere blocks a certain range of wavelengths. Several kinds of molecules such as water vapor absorb a fraction of radio waves passing through the atmosphere, with shorter wavelengths more susceptible to absorption. To minimize the effect of atmospheric absorption, radio telescopes are built at high and dry sites, but even then they are still not completely immune from the effect.

ALMA is located at 5000 meters above sea level, on the Chajnantor Plateau in the Atacama desert of northern Chile.
Credit: A. Marinkovic/X-Cam/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

The tricky part of this effect is that the direction of a radio wave is slightly changed when it passes through the atmosphere containing water vapor. This means that the radio waves arrive at different times at each antenna, making it difficult to synthesize the data later using the time signal as a reference. And even worse: since VLBI utilizes antennas located thousands of kilometers apart, it has to take into account the differences in the amount of water vapor in the sky above each site, as well as the large fluctuations of water vapor content during the observation period. In optical observations, these fluctuations make the light of a star flicker and lower the resolution. Radio observations have similar problems.

“We have only a few ways to reduce this effect in VLBI observations,” explains Satoki Matsushita at the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) of Taiwan. “If there is a compact object emitting intense radiation near the target object, we can remove most of the effect of refraction of radio waves by water vapor by using such an intense radiation source as a reference. However, no such intense reference source has been found near Sagittarius A* so far. And even if there is a reference source, there are still necessary conditions that must be satisfied: the telescopes need to have the ability to observe the target object and reference object at the same time or the telescopes need to have the high-speed drive mechanism to quickly switch the observation between the target object and the reference object. Unfortunately, not all telescopes participating in the EHT/GMVA observations have this capability. One of the methods to remove the effect by water vapor is to equip each antenna with an instrument to measure the amount of water vapor, but ALMA is the only telescope that has adopted this method at this point.”

Another major challenge in imaging a black hole is obtaining a high-quality image. By combining the data collected by antennas thousands of kilometers apart, VLBI achieves a resolution equivalent to a radio telescope several thousands of kilometers in diameter. However, VLBI also has a lot of large blank areas that are not covered by any of the antennas. These missing parts make it difficult for VLBI to reproduce a high-fidelity image of a target object from the synthesized data. This is a common problem for all radio interferometers, including ALMA, but it can be more serious in VLBI where the antennas are located very far apart.

It might be natural to think that a higher resolution means a higher image quality, as is the case with an ordinary digital camera, but in radio observations the resolution and image quality are quite different things. The resolution of a telescope determines how close two objects can be to each other and yet still be resolved as separate objects, while the image quality defines the fidelity in reproducing the image of the structure of the observed object. For example, imagine a leaf, which has a variety of veins. The resolution is the ability to see thinner vein patterns, while the image quality is the ability to capture the overall spread of the leaf. In normal human experience, it would seem bizarre if you could see the very thin veins of a leaf but couldn’t grasp a complete view of the leaf — but such things happen in VLBI, since some portions of data are inevitably missing.

Researchers have been studying data processing methods to improve image quality for almost as long as the history of the radio interferometer itself, so there are some established methods that are already widely used, while others are still in an experimental phase. In the Event Horizon Telescope (EHT) and the Global mm-VLBI Array (GMVA), which are both aiming to capture the shadow of a black hole’s event horizon for the first time, researchers began to develop effective image analysis methods using simulation data well before the start of the observations.

A simulated image of the supermassive black hole Sagittarius A*, which is likely to be obtained in the most recent EHT observations. The dark gap at the center is the shadow of the black hole.
Credit: Kazunori Akiyama (MIT Haystack Observatory)

The observations with the EHT and the GMVA were completed in April 2017. The data collected by the antennas around the world has been sent to the US and Germany, where data processing will be conducted with dedicated data-processing computers called correlators. The data from the South Pole Telescope, one of the participating telescopes in the EHT, will arrive at the end of 2017, and then data calibration and data synthesis will begin in order to produce an image if possible. This process might take several months to achieve the goal of obtaining the first image of a black hole, which is eagerly awaited by black hole researchers and the general astronomical community worldwide.

This lengthy time span between observations and results is normal in astronomy, as the reduction and analysis of the data is a careful, time-consuming process. Right now, all we can do is wait patiently for success to come — for a long-held dream of astronomers to be transformed into reality.

Until then, this is the last post in our blog series about the EHT and GMVA projects. When the results become available in early 2018, we’ll be back with what will hopefully be exciting new information about our turbulent and fascinating galactic center.


شاهد الفيديو: تعرف على الساعة الذرية واهميتها في حياتنا اليومية (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Faesho

    يمكنني أن أجد طريقي للتغلب على هذا السؤال. جاهز للمساعدة.

  2. Kosmy

    رائع ، سآخذها إلى مذكراتي

  3. Silvestre

    أنا محدود ، أعتذر ، لكن في رأيي هذا واضح.

  4. Bentleigh

    مدهش



اكتب رسالة