Телескоп размером с Солнечную систему и разрешение деталей черной дыры M87

В этом видео Кэти Боуман упоминает, что для получения изображений, подобных черной дыре M87, необходимо использовать телескоп размером с Землю:

Звездные расстояния оцениваются с помощью измерений параллакса на разных сторонах земной орбиты. Почему мы не можем направить телескопы на диаметрально противоположные концы земной орбиты и сделать снимки, а потом объединить их по одним и тем же алгоритмам? Кажется, что требовалось всего несколько телескопов, и мы, вероятно, могли бы отправить несколько через Солнечную систему или на большие расстояния. Это поможет нам решить более подробную информацию.

Интересный вопрос о космических кораблях, космических телескопах и различных орбитах Солнечной системы, и он определенно актуален здесь .
Боже, я скучаю по черным доскам, это намного проще, чем провести ночь перед битвой с PowerPoint.

Ответы (1)

Это большой вопрос!

Параллакс и звездные позиции

Чтобы измерить параллакс объекта при отсутствии собственного движения , мы можем обойтись всего двумя изображениями звезды переднего плана (движущейся) на фоне нескольких «неподвижных» звезд. Нам нужно только достаточное разрешение, чтобы отличить дифракционный диск одной звезды ( Эйри ) от других звезд с достаточной точностью, чтобы определить движение из-за параллакса.

Вы можете измерить расположение центра «капли» с гораздо большей точностью, чем FWHM капли, если у вас много фотонов и вы можете хорошо справиться с систематическими ошибками и проблемами, связанными с размером пикселя. Пока это отдельные и индивидуальные звезды, вам не нужно разрешать диск каждой звезды до 1 мсд, чтобы получить относительное расстояние между ними с точностью до 1 мсд.

Космический аппарат Gaia является примером космического телескопа со скромной (прямоугольной) апертурой около 0,5 х 1,4 метра, но он производит огромные объемы чрезвычайно точных измерений параллакса.

В течение полугода Gaia действительно перемещается к «диаметрально противоположным концам земной орбиты» и непрерывно записывает изображения. Идея состоит в том, чтобы получить от пяти до семи изображений большей части неба, чтобы отделить параллакс от собственного движения от систематических и случайных источников шума.

интерферометрия

Однако это изображения, не содержащие информации о фазе. Как я объяснил в этом ответе на вопрос «Возможна ли цифровая адаптивная оптика?» методы, которые мы используем для создания и записи оптических изображений, обычно теряют всю информацию о фазе, вам остается только интенсивность, а не комплексная амплитуда.

Интерферометрия требует интерференции амплитуд, и фаза каждого сигнала является ключевой. Как указано в этом ответе, мы можем сделать это для микроволн и более низких частот, используя высокоскоростные (ГГц) АЦП и часто некоторое преобразование с понижением частоты, но обычно мы не делаем этого для видимого света.

Для изображения черной дыры, сделанного EHT, они использовали атомные часы на каждом телескопе и синхронизировали их, используя такие вещи, как сигналы времени GPS и близлежащие калибровочные объекты в небе.

Не то чтобы это не было продемонстрировано для видимого или ближнего инфракрасного света, но это не то, что вы можете легко поместить в спутник. Один из способов сделать это — разделить лазерный луч между двумя космическими аппаратами и смешать его с узким диапазоном оптических частот от каждого из телескопов и записать результирующий гетеродинный сигнал с полосой пропускания в ГГц или, возможно, гораздо более широкой полосой пропускания. Вам также придется реконструировать расстояние между двумя спутниками до порядка длины волны света, чтобы получить какие-либо значимые данные.

Это не невозможно, но это действительно сложно и будет довольно сложной технологической и бюджетной задачей.

В этом ответе вы просите две вещи: оптическую или ИК РСДБ-интерферометрию и базовую линию длиной не менее 2 а.е. Они независимы. Кажется вполне возможным (хотя, вероятно, очень дорогим) запустить несколько телескопов миллиметрового диапазона, сравнимых с инструментами EHT, и сделать что-то очень похожее на EHT, но с базовой линией в масштабе AU. Переключение на гораздо более короткие длины волн — это то, что вы хотели бы изучить в первую очередь на Земле.
@SteveLinton Я ничего не прошу в этом ответе. Вопрос касается оптической интерферометрии с базовой линией 1 а.е. (противоположные концы орбиты Земли). Я описываю, какие части были разработаны (т. е. современное состояние интерферометрии) и что нужно сделать, чтобы достичь того, о чем просит ОП. (например, «Не то, чтобы это не было продемонстрировано для видимого или ближнего ИК-света ...» означает, что преобразование света с понижением частоты в микроволны с последующей интерферометрией уже было продемонстрировано на Земле некоторое время назад, но вам нужно что-то еще за 1 а.е.)
Независимо от того, какая длина волны наблюдения — видимый свет или микроволны, если вам нужна базовая линия в 1 а. В любом случае «было бы довольно сложной технологической и бюджетной задачей».
Преобразование с понижением частоты в ГГц и оцифровка — это именно то, что сейчас делает EHT.
@SteveLinton да, это так, как и ALMA и несколько других массивов. Это совершенно стандартная техника, называемая супергетеродинным приемником , и ей уже 120 лет (также здесь ). Почему бы не опубликовать ответ на вопрос ОП с вашей точки зрения? Я не понимаю, что вас смущает в моем ответе; возможно, самый быстрый способ узнать это - написать лучший ответ, чтобы показать мне, как это делается?