Allen Telescope Array berpotensi mampu mendeteksi sinyal radio yang kuat dari Proxima b, atau sistem bintang lainnya dengan transmisi radio yang cukup kuat. Ini telah berhasil bekerja dalam konser dengan teleskop radio lainnya di garis pangkal yang sangat panjang untuk menyelesaikan cakrawala peristiwa lubang hitam: bisa dibilang pencapaian puncaknya. (WIKIMEDIA COMMONS / COLBY GUTIERREZ-KRAYBILL)

Tanyakan Ethan: Bagaimana Peristiwa Horizon Telescope Bertindak Seperti Satu Cermin Raksasa?

Itu terdiri dari sejumlah teleskop di banyak situs berbeda di seluruh dunia. Tapi itu bertindak seperti satu teleskop raksasa. Begini caranya.

Jika Anda ingin mengamati Semesta lebih dalam dan pada resolusi yang lebih tinggi dari sebelumnya, ada satu taktik yang disetujui semua orang adalah ideal: bangun teleskop sebesar mungkin. Tetapi gambar dengan resolusi tertinggi yang pernah kami buat dalam astronomi tidak berasal dari teleskop terbesar, melainkan dari sejumlah besar teleskop berukuran sedang: Teleskop Peristiwa Horizon. Bagaimana mungkin? Itulah yang penanya Tanya Ethan kami minggu ini, Dieter, ingin tahu, dengan menyatakan:

Saya mengalami kesulitan memahami mengapa array EHT dianggap sebagai SATU teleskop (yang memiliki diameter bumi).
Ketika Anda menganggap EHT sebagai SATU teleskop radio, saya mengerti bahwa resolusi sudutnya sangat tinggi karena panjang gelombang sinyal yang masuk dan diameter bumi. Saya juga mengerti bahwa sinkronisasi waktu sangat penting.
Tetapi akan sangat membantu untuk menjelaskan mengapa diameter EHT dianggap sebagai SATU teleskop, mengingat ada sekitar 10 teleskop individu dalam array.

Membangun gambar lubang hitam di pusat M87 adalah salah satu prestasi paling luar biasa yang pernah kami buat. Inilah yang membuatnya menjadi mungkin.

Hubungan jarak kecerahan, dan bagaimana fluks dari sumber cahaya jatuh sebagai salah satu dari jarak kuadrat. Bumi memiliki suhu yang ia lakukan karena jaraknya dari Matahari, yang menentukan berapa banyak energi per unit-wilayah yang terjadi di planet kita. Bintang atau galaksi yang jauh memiliki kecerahan yang terlihat karena hubungan ini, yang dituntut oleh konservasi energi. Perhatikan bahwa cahaya juga menyebar di area saat meninggalkan sumber. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Hal pertama yang perlu Anda pahami adalah bagaimana cahaya bekerja. Ketika Anda memiliki objek pemancar cahaya di Alam Semesta, cahaya yang dipancarkannya akan menyebar dalam bola setelah meninggalkan sumbernya. Jika yang Anda miliki hanyalah detektor foto yang merupakan satu titik, Anda masih bisa mendeteksi objek yang jauh dan memancarkan cahaya itu.

Tetapi Anda tidak akan bisa menyelesaikannya.

Ketika cahaya (mis., Foton) menyerang detektor seperti titik Anda, Anda dapat mendaftarkan bahwa cahaya itu tiba; Anda dapat mengukur energi dan panjang gelombang cahaya; Anda bisa tahu dari mana datangnya cahaya. Tetapi Anda tidak akan dapat mengetahui apa pun tentang sifat fisik benda itu. Anda tidak akan tahu ukuran, bentuk, tingkat fisik, atau apakah bagian yang berbeda memiliki warna atau kecerahan yang berbeda. Ini karena Anda hanya menerima informasi pada satu titik.

Nebula NGC 246 lebih dikenal sebagai Nebula Tengkorak, karena keberadaan kedua matanya yang bercahaya. Mata pusat sebenarnya adalah sepasang bintang biner, dan yang lebih kecil, yang lebih redup bertanggung jawab atas nebula itu sendiri, karena ia menghancurkan lapisan terluarnya. Hanya 1.600 tahun cahaya jauhnya, di konstelasi Cetus. Melihat ini sebagai lebih dari satu objek tunggal membutuhkan kemampuan untuk menyelesaikan fitur-fitur ini, tergantung pada ukuran teleskop dan jumlah panjang gelombang cahaya yang sesuai dengan cermin utamanya. (GEMINI SELATAN SELATAN, TRAVIS RECTOR (UNIV. ALASKA))

Apa yang diperlukan untuk mengetahui apakah Anda melihat satu titik cahaya, seperti bintang seperti Matahari kita, atau beberapa titik cahaya, seperti yang Anda temukan dalam sistem bintang biner? Untuk itu, Anda harus menerima cahaya di banyak titik. Alih-alih detektor seperti titik, Anda bisa memiliki detektor seperti piring, seperti cermin utama pada teleskop pemantul.

Saat cahaya masuk, itu bukan titik yang mencolok lagi, melainkan suatu area. Cahaya yang telah menyebar dalam bola sekarang dipantulkan dari cermin dan fokus ke suatu titik. Dan cahaya yang berasal dari dua sumber yang berbeda, bahkan jika mereka berdekatan, akan difokuskan ke dua lokasi yang berbeda.

Setiap teleskop pemantul didasarkan pada prinsip pemantulan sinar cahaya yang masuk melalui cermin primer besar yang memfokuskan cahaya itu ke suatu titik, di mana kemudian dipecah menjadi data dan direkam atau digunakan untuk membuat gambar. Diagram spesifik ini menggambarkan jalur cahaya untuk sistem teleskop Herschel-Lomonosov. Perhatikan bahwa dua sumber berbeda akan memfokuskan cahayanya ke dua lokasi berbeda (jalur biru dan hijau), tetapi hanya jika teleskop memiliki kemampuan yang memadai. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA EUDJINNIUS)

Jika cermin teleskop Anda cukup besar dibandingkan dengan pemisahan kedua benda, dan optik Anda cukup baik, Anda akan dapat mengatasinya. Jika Anda membuat aparatur dengan benar, Anda akan dapat mengetahui bahwa ada banyak objek. Dua sumber cahaya akan tampak berbeda satu sama lain. Secara teknis, ada hubungan antara tiga jumlah:

  • resolusi sudut yang dapat Anda capai,
  • diameter cermin Anda,
  • dan panjang gelombang cahaya yang Anda cari.

Jika sumber Anda lebih dekat satu sama lain, atau cermin teleskop Anda lebih kecil, atau Anda terlihat menggunakan panjang gelombang cahaya yang lebih lama, akan semakin sulit untuk menyelesaikan apa pun yang Anda lihat. Itu membuat lebih sulit untuk memutuskan apakah ada beberapa objek atau tidak, atau apakah objek yang Anda lihat memiliki fitur terang dan gelap. Jika resolusi Anda tidak mencukupi, semuanya tampak tidak lebih dari tempat tunggal yang buram dan belum terselesaikan.

Batas resolusi ditentukan oleh tiga faktor: diameter teleskop Anda, panjang gelombang cahaya yang Anda lihat, dan kualitas optik Anda. Jika Anda memiliki optik yang sempurna, Anda dapat menyelesaikan sampai batas Rayleigh, yang memberi Anda resolusi setinggi mungkin yang diizinkan oleh fisika. (SPENCER BLIVEN / DOMAIN PUBLIK)

Jadi itulah dasar bagaimana teleskop satu-piring besar bekerja. Cahaya datang dari sumbernya, dengan setiap titik di ruang angkasa - bahkan titik berbeda yang berasal dari objek yang sama - memancarkan cahayanya sendiri dengan sifat uniknya sendiri. Resolusi ditentukan oleh jumlah panjang gelombang cahaya yang dapat masuk ke cermin utama kami.

Jika detektor kami cukup sensitif, kami akan dapat menyelesaikan semua jenis fitur pada suatu objek. Daerah panas dan dingin bintang, seperti bintik matahari, dapat muncul. Kita dapat melihat fitur-fitur seperti gunung berapi, geyser, icecaps dan cekungan di planet dan bulan. Dan tingkat gas atau plasma yang memancarkan cahaya, beserta suhu dan kepadatannya, dapat dicitrakan juga. Ini pencapaian luar biasa yang hanya bergantung pada sifat fisik dan optik teleskop Anda.

Lubang hitam terbesar kedua yang terlihat dari Bumi, yang ada di pusat galaksi M87, ditunjukkan dalam tiga pemandangan di sini. Di atas adalah optik dari Hubble, di kiri bawah adalah radio dari NRAO, dan di kanan bawah adalah X-ray dari Chandra. Pandangan yang berbeda ini memiliki resolusi yang berbeda tergantung pada sensitivitas optik, panjang gelombang cahaya yang digunakan, dan ukuran cermin teleskop yang digunakan untuk mengamati mereka. Pengamatan sinar-X Chandra memberikan resolusi yang sangat baik walaupun memiliki cermin berdiameter 8 inci (20 cm) yang efektif, karena sifat panjang gelombang yang sangat pendek dari sinar-X yang diamati. (TOP, OPTIK, RUANG HUBBLE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; KIRI RENDAH, RADIO, NRAO / SANGAT SANGAT BESAR (VLA); KANAN RENDAH, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)

Tapi mungkin Anda tidak membutuhkan seluruh teleskop. Membangun teleskop raksasa mahal dan sumber daya intensif, dan sebenarnya melayani dua tujuan untuk membangunnya begitu besar.

  1. Semakin besar teleskop Anda, semakin baik resolusinya, berdasarkan jumlah panjang gelombang cahaya yang sesuai dengan cermin utama Anda.
  2. Semakin besar area pengumpulan teleskop Anda, semakin banyak cahaya yang bisa Anda kumpulkan, yang berarti Anda dapat mengamati objek yang lebih redup dan detail yang lebih halus daripada yang bisa Anda lakukan dengan teleskop area rendah.

Jika Anda mengambil cermin teleskop besar Anda dan mulai menggelapkan beberapa tempat - seperti Anda menggunakan masker pada cermin Anda - Anda tidak lagi dapat menerima cahaya dari lokasi-lokasi itu. Akibatnya, batas kecerahan pada apa yang Anda lihat akan berkurang, sebanding dengan luas permukaan (area pengumpul cahaya) teleskop Anda. Tetapi resolusi masih akan sama dengan pemisahan antara berbagai bagian cermin.

Meteor, difoto di atas Atacama Large Millimeter / sub-millimeter Array, 2014. ALMA mungkin adalah deretan teleskop radio paling canggih dan paling kompleks di dunia, mampu menggambarkan detail yang belum pernah ada sebelumnya dalam cakram protoplanet, dan juga merupakan bagian integral dari Teleskop Peristiwa Horizon. (ESO / C. MALIN)

Ini adalah prinsip yang menjadi dasar susunan teleskop. Ada banyak sumber di luar sana, terutama di bagian radio spektrum, yang sangat cerah, jadi Anda tidak perlu semua area pengumpulan yang datang dengan membangun hidangan tunggal yang besar.

Sebagai gantinya, Anda dapat membangun berbagai hidangan. Karena cahaya dari sumber yang jauh akan menyebar, Anda ingin mengumpulkan cahaya di area seluas mungkin. Anda tidak perlu menginvestasikan semua sumber daya Anda dalam membangun piringan besar dengan kekuatan pengumpul cahaya tertinggi, tetapi Anda masih membutuhkan resolusi superior yang sama. Dan dari situlah ide untuk menggunakan berbagai teleskop radio berasal. Dengan deretan teleskop yang terhubung di seluruh dunia, kita dapat menyelesaikan beberapa objek bersudut radio yang terkecil namun terkecil di luar sana.

Diagram ini menunjukkan lokasi semua teleskop dan array teleskop yang digunakan dalam pengamatan 2017 Event Horizon Telescope of M87. Hanya Teleskop Kutub Selatan yang tidak dapat mencitrakan M87, karena terletak di bagian Bumi yang salah untuk melihat pusat galaksi itu. Setiap satu dari lokasi ini dilengkapi dengan jam atom, di antara peralatan lainnya. (NRAO)

Secara fungsional, tidak ada perbedaan antara berpikir tentang dua skenario berikut.

  1. Event Horizon Telescope adalah cermin tunggal dengan banyak selotip di bagiannya. Cahaya dikumpulkan dan difokuskan dari semua lokasi yang berbeda di seluruh Bumi menjadi satu titik, dan kemudian disintesis bersama menjadi gambar yang mengungkapkan kecerahan dan sifat yang berbeda dari target Anda di ruang angkasa, hingga resolusi maksimal Anda.
  2. Event Horizon Telescope itu sendiri adalah array dari berbagai teleskop individu dan array teleskop individu. Lampu dikumpulkan, diberi cap waktu dengan jam atom (untuk tujuan sinkronisasi), dan direkam sebagai data di setiap situs. Data itu kemudian dijahit dan diproses bersama secara tepat untuk membuat gambar yang mengungkapkan kecerahan dan properti apa pun yang Anda lihat di ruang angkasa.

Satu-satunya perbedaan adalah teknik yang harus Anda gunakan untuk mewujudkannya, tetapi itulah sebabnya kami memiliki ilmu VLBI: interferometri baseline yang sangat panjang.

Dalam VLBI, sinyal radio direkam di masing-masing teleskop individu sebelum dikirim ke lokasi pusat. Setiap titik data yang diterima dicap dengan jam atom frekuensi tinggi yang sangat akurat di samping data untuk membantu para ilmuwan mendapatkan sinkronisasi pengamatan yang benar. (DOMAIN PUBLIK / PENGGUNA WIKIPEDIA RNT20)

Anda mungkin segera mulai memikirkan ide-ide liar, seperti meluncurkan teleskop radio ke luar angkasa dan menggunakannya, yang terhubung dengan teleskop di Bumi, untuk memperluas garis dasar Anda. Ini rencana yang bagus, tetapi Anda harus memahami bahwa ada alasan kami tidak hanya membangun Teleskop Horison Acara dengan dua situs yang terpisah: kami menginginkan resolusi luar biasa itu ke segala arah.

Kami ingin mendapatkan cakupan penuh dua dimensi dari langit, yang berarti idealnya kami mengatur teleskop kami di sebuah cincin besar untuk mendapatkan pemisahan yang sangat besar itu. Itu tidak layak, tentu saja, di dunia dengan benua dan samudra dan kota-kota dan negara-negara dan perbatasan, batas, dan kendala lainnya. Tetapi dengan delapan situs independen di seluruh dunia (tujuh di antaranya berguna untuk gambar M87), kami dapat melakukannya dengan sangat baik.

Gambar yang pertama kali dirilis oleh Event Horizon Telescope mencapai resolusi 22,5 microarcseconds, memungkinkan array untuk menyelesaikan horizon peristiwa lubang hitam di pusat M87. Teleskop parabola harus berdiameter 12.000 km untuk mencapai ketajaman yang sama. Perhatikan perbedaan tampilan antara gambar 5/6 April dan gambar 10/11 April, yang menunjukkan bahwa fitur di sekitar lubang hitam berubah seiring waktu. Ini membantu menunjukkan pentingnya menyinkronkan pengamatan yang berbeda, bukan hanya rata-rata waktu mereka. (ACARA KERJASAMA TELESCOPE ACARA)

Saat ini, Event Horizon Telescope terbatas pada Bumi, terbatas pada piringan yang saat ini terhubung bersama, dan dibatasi oleh panjang gelombang tertentu yang dapat diukur. Jika bisa dimodifikasi untuk mengamati pada panjang gelombang yang lebih pendek, dan dapat mengatasi opacity atmosfer pada panjang gelombang itu, kita bisa mencapai resolusi yang lebih tinggi dengan peralatan yang sama. Pada prinsipnya, kita mungkin dapat melihat fitur tiga hingga lima kali setajam tanpa perlu satu hidangan baru.

Dengan melakukan pengamatan simultan ini di seluruh dunia, Teleskop Peristiwa Horizon benar-benar berperilaku sebagai teleskop tunggal. Ini hanya memiliki kekuatan pengumpul cahaya dari masing-masing hidangan yang ditambahkan bersama-sama, tetapi dapat mencapai resolusi jarak antara piring ke arah bahwa piring dipisahkan.

Dengan merentangkan diameter Bumi dengan banyak teleskop yang berbeda (atau susunan teleskop) secara bersamaan, kami dapat memperoleh data yang diperlukan untuk menyelesaikan horizon peristiwa.

Event Horizon Telescope berperilaku seperti teleskop tunggal karena kemajuan luar biasa dalam teknik yang kami gunakan dan peningkatan daya komputasi dan algoritma baru yang memungkinkan kami untuk mensintesis data ini menjadi satu gambar. Ini bukan prestasi yang mudah, dan butuh tim yang terdiri dari 100 ilmuwan yang bekerja selama bertahun-tahun untuk mewujudkannya.

Namun secara optik, prinsip-prinsipnya sama dengan menggunakan cermin tunggal. Kami memiliki cahaya yang masuk dari tempat yang berbeda pada satu sumber, semuanya menyebar, dan semua tiba di berbagai teleskop dalam susunan. Seolah-olah mereka tiba di lokasi berbeda di sepanjang cermin yang sangat besar. Kuncinya adalah bagaimana kita mensintesis data itu bersama-sama, dan menggunakannya untuk merekonstruksi gambar dari apa yang sebenarnya terjadi.

Sekarang setelah tim Teleskop Peristiwa Horizon telah berhasil melakukan hal itu, saatnya untuk mengarahkan pandangan kita pada target berikutnya: belajar sebanyak mungkin tentang setiap lubang hitam yang dapat kita lihat. Seperti kalian semua, aku tidak sabar menunggu.

Kirim pertanyaan Ajukan Ethan Anda ke startwababang di gmail dot com!

Mulai Dengan A Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Teknologi: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.