HD 163296 mewakili disk protoplanet khas yang dilihat oleh kolaborasi DSHARP. Ini memiliki disk protoplanet pusat, cincin emisi luar, dan celah di antara mereka. Seharusnya ada beberapa planet dalam sistem ini, dan seseorang dapat mengidentifikasi interior artefak aneh untuk cincin ke-2 dari-terluar yang mungkin merupakan tanda dari planet yang mengganggu. Bilah skala di kanan bawah adalah 10 AU, yang sesuai dengan resolusi hanya beberapa miliar detik. Ini hanya dapat dicapai melalui VLBI. (S. M. ANDREWS ET AL. DAN KOLABORASI DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

Tanyakan Ethan: Bagaimana Interferometri Dasar-Sangat-Panjang Memungkinkan Kita Untuk Gambar Lubang Hitam?

Ini adalah teknik, dari Event Horizon Telescope, yang membawa kita gambar lubang hitam. Begini cara kerjanya.

Event Horizon Telescope telah mencapai apa yang tidak pernah dilakukan oleh teleskop atau teleskop lainnya: gambarkan horizon peristiwa dari lubang hitam secara langsung. Sebuah tim yang terdiri lebih dari 200 ilmuwan menggunakan data dari delapan fasilitas teleskop independen di lima benua yang semuanya bergabung bersama untuk mencapai kemenangan monumental ini. Meskipun ada banyak kontribusi dan kontributor yang layak disorot, ada teknik fisika dasar yang menjadi sandarannya: Interferometri Sangat-Panjang-Baseline, atau VLBI. Pendukung Patreon, Ken Blackman ingin tahu bagaimana itu bekerja, dan bagaimana hal itu memungkinkan pencapaian yang luar biasa ini, dengan bertanya:

[The Event Horizon Telescope] menggunakan VLBI. Jadi apa itu interferometri dan bagaimana ini digunakan oleh [the Event Horizon Telescope]? Sepertinya itu adalah unsur utama dalam menghasilkan gambar M87 tapi saya tidak tahu bagaimana atau mengapa. Peduli untuk menjelaskan?

Anda berada di; Ayo lakukan.

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. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA EUDJINNIUS)

Untuk teleskop tunggal, semuanya relatif sederhana. Cahaya muncul sebagai serangkaian sinar paralel, semuanya berasal dari sumber yang jauh. Cahaya menghantam cermin utama teleskop, dan menjadi fokus ke satu titik. Jika Anda menaruh cermin tambahan (atau set cermin) di sepanjang jalur cahaya, mereka tidak mengubah cerita itu; mereka hanya mengubah di mana cahaya itu berakhir pada satu titik.

Semua sinar cahaya itu tiba pada titik terakhir pada saat yang sama, di mana sinar tersebut kemudian dapat digabungkan menjadi gambar atau disimpan sebagai data mentah, untuk diproses menjadi gambar di lain waktu. Itu versi ultra-dasar dari teleskop: cahaya datang dari sumber, difokuskan ke wilayah kecil, dan direkam.

Bagian kecil dari Karl Jansky Very Large Array, salah satu jajaran teleskop radio terbesar dan paling kuat di dunia. Kecuali jika masing-masing piring disinkronkan dengan benar, mereka tidak akan mencapai resolusi yang lebih tinggi dari satu piring. (JOHN FOWLER)

Tetapi bagaimana jika Anda tidak memiliki teleskop tunggal, tetapi beberapa teleskop yang terhubung bersama dalam beberapa jenis array? Anda mungkin berpikir bahwa Anda bisa menyelesaikan masalah dengan cara yang sama, dan memfokuskan cahaya dari masing-masing teleskop seperti yang Anda lakukan untuk teleskop parabola. Cahaya masih akan tiba dalam sinar paralel; setiap cermin utama masih akan memfokuskan cahaya itu ke satu titik; setiap sinar cahaya teleskop tiba di titik akhir pada saat yang sama; semua data itu dapat dikumpulkan dan disimpan.

Anda bisa melakukannya, tentu saja. Tapi itu hanya akan memberi Anda dua gambar independen. Anda bisa menggabungkan mereka, tetapi itu hanya akan rata-rata data keluar. Seolah-olah Anda mengamati target Anda dengan teleskop tunggal pada dua waktu yang berbeda, dan menambahkan data bersama.

Square Kilometer Array akan, ketika selesai, terdiri dari ribuan teleskop radio, yang mampu melihat lebih jauh kembali ke Semesta daripada observatorium apa pun yang mengukur semua jenis bintang atau galaksi. (KANTOR PEMBANGUNAN PROYEK SKA DAN PRODUKSI ASTRONOMI SWINBURNE)

Itu tidak membantu Anda dengan masalah besar Anda, yaitu Anda membutuhkan resolusi yang ditingkatkan kritis yang datang dengan menggunakan jaringan teleskop yang dihubungkan bersama dengan VLBI. Ketika Anda berhasil menghubungkan beberapa teleskop bersama-sama dengan teknik VLBI, itu dapat memberi Anda gambar yang memiliki kekuatan pengumpul cahaya dari masing-masing antena teleskop yang ditambahkan bersamaan, tetapi (secara optimal) dengan resolusi jarak antara antena teleskop.

Teknik ini telah terkenal digunakan berkali-kali, tidak hanya untuk pencitraan lubang hitam dan bahkan dengan teleskop radio saja. Bahkan, mungkin contoh paling spektakuler dari VLBI digunakan oleh Large Binocular Telescope, yang memiliki dua teleskop 8 meter yang dipasang bersama, berperilaku dengan resolusi teleskop ~ 23 meter. Sebagai hasilnya, ia dapat menyelesaikan fitur yang tidak ada piringan 8 meter tunggal, seperti meletusnya gunung berapi di Io sementara ia mengalami gerhana dari bulan-bulan Jupiter lainnya.

Okultasi bulan Yupiter, Io, dengan gunung berapi yang meletus Loki dan Pele, seperti yang didiami oleh Europa, yang tidak terlihat dalam gambar inframerah ini. Teleskop Binokular Besar dapat melakukan ini karena teknik interferometri. (LBTO)

Kunci untuk membuka kekuatan jenis ini adalah bahwa Anda harus dapat menempatkan pengamatan Anda pada saat yang bersamaan. Sinyal cahaya yang tiba di teleskop tiba setelah waktu perjalanan cahaya yang sedikit berbeda, karena jarak yang bervariasi, pada kecepatan cahaya, yang dibutuhkan sinyal untuk melakukan perjalanan dari objek sumber ke berbagai detektor / teleskop di Bumi.

Anda harus mengetahui waktu kedatangan sinyal di berbagai lokasi teleskop di seluruh dunia agar dapat menggabungkannya menjadi satu gambar. Hanya dengan menggabungkan data yang terkait dengan melihat sumber yang sama secara bersamaan, kita dapat mencapai resolusi maksimum yang dapat ditawarkan oleh jaringan teleskop.

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)

Cara kita melakukan ini, secara praktis, adalah dengan memanfaatkan jam atom. Di setiap salah satu dari 8 lokasi di seluruh dunia di mana Teleskop Peristiwa Horizon mengambil data adalah jam atom, yang memungkinkan kita menjaga waktu untuk melakukan beberapa attosecond (10 ^ -18 dtk). Ada juga kebutuhan untuk menginstal peralatan komputasi khusus (baik perangkat keras dan perangkat lunak) untuk memungkinkan pengamatan untuk dikorelasikan dan disinkronkan antara stasiun yang berbeda di seluruh dunia.

Anda harus mengamati objek yang sama pada waktu yang sama dengan frekuensi yang sama, sambil mengoreksi hal-hal seperti kebisingan atmosfer dengan teleskop yang dikalibrasi dengan benar. Ini adalah tugas padat karya yang membutuhkan ketelitian luar biasa. Tetapi ketika Anda sampai di sana, hasilnya luar biasa.

Disk protoplanet di sekitar bintang muda, HL Tauri, seperti yang difoto oleh ALMA. Kesenjangan dalam disk menunjukkan keberadaan planet baru. Sistem ini sudah berusia ratusan juta tahun, dan planet-planet di sana kemungkinan mendekati tahap akhir dan orbitnya. Resolusi ini hanya dimungkinkan karena penggunaan VLBI oleh ALMA. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

Gambar di atas mungkin terlihat tidak ada hubungannya dengan lubang hitam, tetapi sebenarnya itu adalah salah satu gambar paling terkenal dari sederetan teleskop radio terkuat di luar sana: ALMA. ALMA adalah singkatan dari Atacama Large Millimeter / Submillimetre Array, dan terdiri dari 66 antena radio independen yang dapat disesuaikan untuk berjarak terpisah dari 150 meter hingga 16 kilometer.

Kekuatan pengumpulan cahaya hanya ditentukan oleh area dari masing-masing hidangan yang ditambahkan bersama; itu tidak berubah. Tetapi resolusi yang dapat dicapai ditentukan oleh jarak antar hidangan. Begitulah cara itu dapat mencapai resolusi hingga hanya beberapa mili-arc-detik, atau resolusi 1 / 300.000 derajat.

Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) adalah beberapa teleskop radio paling kuat di Bumi. Teleskop ini dapat mengukur tanda tangan panjang gelombang panjang dari atom, molekul, dan ion yang tidak dapat diakses oleh teleskop dengan panjang gelombang lebih pendek seperti Hubble, tetapi juga dapat mengukur rincian sistem protoplanet dan, berpotensi, bahkan sinyal alien yang bahkan tidak dapat dilihat oleh teleskop inframerah. Itu adalah tambahan yang paling penting untuk Event Horizon Telescope. (ESO / C. MALIN)

Tapi sama mengesankannya dengan ALMA, Event Horizon Telescope bahkan lebih jauh. Dengan garis dasar antara stasiun yang mendekati diameter Bumi - lebih dari 10.000 km - ia dapat menyelesaikan benda sekecil 15 mikro-busur-detik. Peningkatan luar biasa dalam resolusi inilah yang memungkinkannya untuk mencitrakan cakrawala peristiwa lubang hitam (yang berseberangan 42 mikro-detik) di pusat galaksi M87.

Kunci dalam memperoleh gambar itu, dan dalam melakukan pengamatan resolusi tinggi ini secara umum, adalah untuk menyinkronkan setiap teleskop dengan pengamatan yang benar-benar kebetulan dalam waktu. Untuk mewujudkan ini sederhana secara konseptual, tetapi diperlukan inovasi monumental untuk mempraktikkannya.

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)

Kemajuan kunci terjadi pada tahun 1958, ketika ilmuwan Roger Jennison menulis sebuah makalah yang sekarang terkenal: Teknik interferometer peka fase untuk pengukuran transformasi Fourier distribusi kecerahan spasial dari sudut kecil. Kedengarannya seperti suap, tapi inilah cara Anda dapat memahaminya dengan cara yang langsung.

  1. Bayangkan Anda memiliki tiga antena (atau teleskop radio) yang terhubung bersama, dan dipisahkan oleh jarak tertentu.
  2. Antena ini akan menerima sinyal dari sumber yang jauh, di mana waktu kedatangan relatif dari sinyal yang berbeda dapat dihitung.
  3. Saat Anda mencampur sinyal yang berbeda bersama-sama, mereka akan saling mengganggu, baik karena efek nyata maupun karena kesalahan.
  4. Apa yang dirintis Jennison - dan apa yang masih digunakan sampai sekarang dalam bentuk kalibrasi diri - adalah teknik untuk menggabungkan efek nyata dengan benar dan mengabaikan kesalahan.

Ini dikenal sekarang sebagai sintesis bukaan, dan prinsip dasarnya tetap sama selama lebih dari 60 tahun.

Pada bulan April 2017, semua 8 teleskop / array teleskop yang terkait dengan Event Horizon Telescope menunjuk ke Messier 87. Inilah yang tampak seperti lubang hitam supermasif, di mana horizon peristiwa terlihat jelas. Hanya melalui VLBI kita dapat mencapai resolusi yang diperlukan untuk membangun gambar seperti ini. (ACARA HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)

Apa yang fantastis tentang teknik ini adalah bahwa teknik ini dapat diterapkan secara harfiah pada rentang panjang gelombang apa pun. Saat ini, Event Horizon Telescope mengukur gelombang radio dari frekuensi tertentu, tetapi secara teoritis dapat beroperasi pada frekuensi antara tiga dan lima kali lebih tinggi. Karena resolusi teleskop Anda tergantung pada berapa banyak gelombang yang bisa masuk melintasi diameter (atau garis dasar) teleskop Anda, pergi ke frekuensi yang lebih tinggi diterjemahkan menjadi panjang gelombang yang lebih pendek dan resolusi yang lebih tinggi. Kami bisa mendapatkan resolusi lima kali lipat tanpa perlu membuat antena piringan baru.

Lubang hitam pertama mungkin baru saja tiba beberapa hari yang lalu, tetapi kami sudah melihat ke masa depan. Cakrawala peristiwa pertama sebenarnya hanyalah permulaan. Selain itu, Event Horizon Telescope suatu hari nanti harus dapat menyelesaikan fitur dari jarak jauh dan sumber radio terang lainnya, memungkinkan kita untuk memahaminya tidak seperti sebelumnya. Selamat datang di dunia VLBI, di mana jika Anda menginginkan teleskop beresolusi lebih tinggi, Anda hanya perlu memindahkan yang Anda miliki lebih jauh!

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 Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.