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Pergunte a Ethan: Como a interferometria de linha de base muito longa nos permite visualizar um buraco negro?

HD 163296 é representativo de um disco protoplanetário típico visto pela colaboração DSHARP. Possui um disco protoplanetário central, anéis de emissão externos e lacunas entre eles. Deve haver vários planetas neste sistema, e pode-se identificar um estranho artefato no interior do segundo anel mais externo que pode ser um sinal revelador de um planeta perturbador. A barra de escala no canto inferior direito é de 10 UA, o que corresponde a uma resolução de apenas alguns milissegundos de arco. Isso só pode ser alcançado através do VLBI. (S. M. ANDREWS ET AL. E A COLABORAÇÃO DSHARP, ARXIV: 1812.04040)

É a técnica, do Event Horizon Telescope, que nos trouxe a imagem de um buraco negro. Aqui está como funciona.

O Event Horizon Telescope conseguiu o que nenhum outro telescópio ou conjunto de telescópios jamais conseguiu: fotografou diretamente o horizonte de eventos de um buraco negro. Uma equipe de mais de 200 cientistas usando dados de oito instalações de telescópios independentes em cinco continentes se uniu para alcançar esse triunfo monumental. Embora existam muitas contribuições e contribuidores que merecem destaque, há uma técnica física fundamental da qual tudo depende: Interferometria de linha de base muito longa , ou VLBI. Apoiador do Patreon Ken Blackman quer saber como isso funciona e como permitiu esse feito notável, perguntando:

[O Event Horizon Telescope] usa VLBI. Então, o que é interferometria e como ela foi empregada pelo Event Horizon Telescope? Parece que foi um ingrediente chave na produção da imagem do M87, mas não tenho ideia de como ou por quê. Importa-se de elucidar?

Você está ligado; vamos fazer isso.

Qualquer telescópio refletor é baseado no princípio de refletir os raios de luz recebidos por meio de um grande espelho primário que focaliza essa luz em um ponto, onde ela é dividida em dados e gravada ou usada para construir uma imagem. Este diagrama específico ilustra os caminhos de luz para um sistema de telescópio Herschel-Lomonosov. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS EUDJINNIUS)

Para um único telescópio, tudo é relativamente simples. A luz vem como uma série de raios paralelos, todos originados da mesma fonte distante. A luz atinge o espelho primário do telescópio e é focada em um único ponto. Se você colocar um espelho adicional (ou conjunto de espelhos) ao longo do caminho da luz, eles não mudam essa história; eles simplesmente mudam onde essa luz acaba convergindo para um ponto.

Todos esses raios de luz chegam a esse ponto final ao mesmo tempo, onde podem ser combinados em uma imagem ou salvos como dados brutos, para serem processados ​​em uma imagem posteriormente. Essa é a versão ultrabásica de um telescópio: a luz chega de uma fonte, é focada em uma pequena região e gravada.

Uma pequena seção do Karl Jansky Very Large Array, um dos maiores e mais poderosos conjuntos de radiotelescópios do mundo. A menos que os pratos individuais estejam sincronizados adequadamente, eles não atingirão uma resolução maior do que um único prato. (JOÃO FOWLER)

Mas e se você não tiver um único telescópio, mas vários telescópios conectados em rede em algum tipo de matriz? Você pode pensar que poderia resolver o problema de maneira semelhante e focar a luz de cada telescópio da maneira que faria para um telescópio de prato único. A luz ainda chegaria em raios paralelos; cada espelho primário ainda focalizaria essa luz em um único ponto; os raios de luz de cada telescópio chegam ao ponto final ao mesmo tempo; todos esses dados podem ser coletados e armazenados.

Você poderia fazer isso, é claro. Mas isso só lhe daria duas imagens independentes. Você poderia combiná-los, mas isso apenas calcularia a média dos dados. Seria como se você observasse seu alvo com um único telescópio em dois momentos diferentes e somasse os dados.

O Square Kilometer Array, quando concluído, será composto por um conjunto de milhares de radiotelescópios, capazes de ver mais longe no Universo do que qualquer observatório que tenha medido qualquer tipo de estrela ou galáxia. (ESCRITÓRIO DE DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS SKA E PRODUÇÕES DE ASTRONOMIA SWINBURNE)

Isso não o ajuda com seu grande problema, que é que você precisa da resolução aprimorada crítica que vem com o uso de uma rede de telescópios vinculados ao VLBI. Quando você vincula com sucesso vários telescópios com a técnica VLBI, ela pode fornecer uma imagem que tem o poder de coleta de luz dos pratos individuais do telescópio somados, mas (otimamente) com a resolução da distância entre os pratos do telescópio.

Esta técnica tem sido usada muitas vezes, não apenas para a imagem de um buraco negro e nem mesmo com radiotelescópios sozinhos. De fato, talvez o exemplo mais espetacular de VLBI tenha sido usado pelo Grande telescópio binocular , que possui dois telescópios de 8 metros montados juntos, comportando-se com a resolução de um telescópio de ~23 metros. Como resultado, ele pode resolver recursos que nenhum prato de 8 metros pode, como vulcões em erupção em Io enquanto experimenta um eclipse de outra lua de Júpiter.

A ocultação da lua de Júpiter, Io, com seus vulcões em erupção Loki e Pele, ocultada por Europa, que é invisível nesta imagem infravermelha. O Large Binocular Telescope foi capaz de fazer isso devido à técnica de interferometria. (LBTO)

A chave para desbloquear esse tipo de poder é que você precisa ser capaz de reunir suas observações nos mesmos momentos no tempo. Os sinais de luz que estão chegando aos telescópios estão chegando após tempos de viagem de luz ligeiramente diferentes, devido à distância variável, na velocidade da luz, que leva o sinal para viajar do objeto de origem para os detectores/telescópios variados em Terra.

Você deve saber a hora de chegada dos sinais nos diferentes locais do telescópio em todo o mundo para poder combiná-los em uma única imagem. Somente combinando dados que correspondem à visualização de uma mesma fonte simultaneamente podemos alcançar a resolução máxima que uma rede de telescópios é capaz de oferecer.

Este diagrama mostra a localização de todos os telescópios e conjuntos de telescópios usados ​​nas observações de M87 do Event Horizon Telescope de 2017. Apenas o Telescópio do Pólo Sul não conseguiu visualizar M87, pois está localizado na parte errada da Terra para ver o centro dessa galáxia. Cada um desses locais é equipado com um relógio atômico, entre outros equipamentos. (NRAO)

A maneira como fazemos isso, praticamente, é usando relógios atômicos. Em cada um dos 8 locais em todo o mundo onde o Event Horizon Telescope coleta dados há um relógio atômico, que nos permite manter o tempo com precisões de alguns attosegundos (10^-18 s). Houve também a necessidade de instalar equipamentos computacionais especializados (tanto hardware quanto software) para permitir que as observações fossem correlacionadas e sincronizadas entre as diferentes estações ao redor do mundo.

Você tem que observar o mesmo objeto ao mesmo tempo com a mesma frequência, enquanto corrige coisas como ruído atmosférico com um telescópio devidamente calibrado. É uma tarefa trabalhosa que exige enorme precisão. Mas quando você chega lá, a recompensa é surpreendente.

O disco protoplanetário em torno da jovem estrela, HL Tauri, fotografado pelo ALMA. As lacunas no disco indicam a presença de novos planetas. Este sistema já tem centenas de milhões de anos, e os planetas provavelmente estão se aproximando de seus estágios e órbitas finais. Esta resolução só é possível devido à utilização do VLBI pelo ALMA. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

A imagem acima pode parecer que não tem nada a ver com um buraco negro, mas na verdade é uma das imagens mais famosas do mais poderoso conjunto de radiotelescópios que existe: ALMA. ALMA significa Atacama Large Millimeter/Submillimetre Array e é composto por 66 antenas de rádio independentes que podem ser ajustadas para serem espaçadas de 150 metros até 16 quilômetros.

O poder de captação de luz é determinado apenas pela área dos pratos individuais somados; isso não muda. Mas a resolução que pode alcançar é determinada pela distância entre os pratos. É assim que ele pode alcançar resoluções de apenas alguns milissegundos de arco, ou resoluções de 1/300.000 de grau.

O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) é um dos mais poderosos radiotelescópios da Terra. Esses telescópios podem medir assinaturas de comprimento de onda longo de átomos, moléculas e íons que são inacessíveis a telescópios de comprimento de onda mais curto como o Hubble, mas também podem medir detalhes de sistemas protoplanetários e, potencialmente, até sinais alienígenas que nem telescópios infravermelhos podem ver. Foi a adição mais importante ao Event Horizon Telescope. (ESO/C. MALIN)

Mas, por mais impressionante que o ALMA seja, o Event Horizon Telescope vai ainda mais longe. Com linhas de base entre as estações que se aproximam do diâmetro da Terra - mais de 10.000 km - ele pode resolver objetos tão pequenos quanto cerca de 15 micro-arc-segundos. Essa incrível melhoria na resolução é o que permitiu a imagem do horizonte de eventos do buraco negro (que tem 42 micro-arc-segundos de diâmetro) no centro da galáxia M87.

A chave para obter essa imagem e para realizar essas observações de alta resolução em geral é sincronizar cada um dos telescópios com observações absolutamente coincidentes no tempo. Para que isso aconteça é simples conceitualmente, mas necessário uma inovação monumental para colocar isso em prática.

No VLBI, os sinais de rádio são registrados em cada um dos telescópios individuais antes de serem enviados para um local central. Cada ponto de dados recebido é carimbado com um relógio atômico de alta frequência extremamente preciso ao lado dos dados para ajudar os cientistas a sincronizar as observações corretamente. (DOMÍNIO PÚBLICO / USUÁRIO WIKIPEDIA RNT20)

O avanço chave veio em 1958, quando o cientista Roger Jennison escreveu um papel agora famoso : Uma técnica de interferômetro sensível à fase para a medição das transformadas de Fourier de distribuições espaciais de brilho de pequena extensão angular. Isso soa como um bocado, mas aqui está como você pode entendê-lo de maneira direta.

1. Imagine que você tenha três antenas (ou radiotelescópios) todas conectadas e separadas por distâncias específicas.
2. Estas antenas receberão sinais de uma fonte distante, onde poderão ser calculados os tempos relativos de chegada dos diferentes sinais.
3. Quando você mistura os diferentes sinais juntos, eles interferem uns nos outros, tanto devido a efeitos reais quanto devido a erros.
4. O que Jennison foi pioneiro – e o que ainda é usado hoje na forma de autocalibração – foi a técnica de combinar adequadamente os efeitos reais e ignorar os erros.

Isso é conhecido hoje como síntese de abertura , e o princípio básico permaneceu o mesmo por mais de 60 anos.

Em abril de 2017, todos os 8 telescópios/matrizes de telescópios associados ao Event Horizon Telescope apontavam para Messier 87. É assim que um buraco negro supermassivo se parece, onde o horizonte de eventos é claramente visível. Só através do VLBI conseguimos a resolução necessária para construir uma imagem como esta. (EVENTO HORIZON TELESCÓPIO COLABORAÇÃO ET AL.)

O que é fantástico sobre essa técnica é que ela pode ser aplicada a literalmente qualquer faixa de comprimento de onda. No momento, o Event Horizon Telescope mede ondas de rádio de uma frequência específica, mas teoricamente poderia operar em uma frequência entre três e cinco vezes maior. Como a resolução do seu telescópio depende de quantas ondas podem caber no diâmetro (ou linha de base) do seu telescópio, ir para frequências mais altas se traduz em comprimentos de onda mais curtos e resolução mais alta. Poderíamos obter cinco vezes a resolução sem precisar construir um único novo prato.

O primeiro buraco negro pode ter acabado de chegar há alguns dias, mas já estamos olhando para o futuro. O primeiro horizonte de eventos é realmente apenas o começo. Além disso, o Event Horizon Telescope deve algum dia ser capaz de resolver características de blazares distantes e outras fontes de rádio brilhantes, permitindo-nos entendê-los como nunca antes. Bem-vindo ao mundo do VLBI, onde se você deseja um telescópio de alta resolução, basta afastar os que você tem mais distantes!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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