Wenn Astronomen von einem optischen Teleskop sprechen, erwähnen sie oft die Größe seines Spiegels. Denn je größer Ihr Spiegel, desto schärfer kann Ihre Sicht auf den Himmel sein. Es ist als Auflösungsvermögen bekannt und beruht auf einer Eigenschaft des Lichts, die als Beugung bekannt ist. Wenn Licht durch eine Öffnung, wie beispielsweise die Öffnung des Teleskops, hindurchtritt, neigt es dazu, sich auszubreiten oder zu beugen. Je kleiner die Öffnung, desto mehr breitet sich das Licht aus, wodurch Ihr Bild verschwommener wird. Aus diesem Grund können größere Teleskope ein schärferes Bild aufnehmen als kleinere.
Die Beugung hängt nicht nur von der Größe Ihres Teleskops ab, sondern auch von der Wellenlänge des beobachteten Lichts. Je länger die Wellenlänge, desto mehr Licht wird bei einer gegebenen Öffnungsgröße gebeugt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist sehr klein, weniger als ein Millionstel Meter lang. Aber Radiolicht hat eine tausendmal längere Wellenlänge. Wer so scharfe Bilder wie mit optischen Teleskopen aufnehmen möchte, braucht ein Radioteleskop, das tausendmal größer ist als ein optisches. Glücklicherweise können wir dank einer als Interferometrie bekannten Technik so große Radioteleskope bauen.
In der südwestlichen Provinz Guizhou wurde gerade das 500-Meter-Aperture-Kugelteleskop (FAST) fertiggestellt. Kredit: SCHNELL
Um ein hochauflösendes Radioteleskop zu bauen, kann man nicht einfach eine riesige Radioschüssel bauen. Sie benötigen ein Gericht mit einem Durchmesser von mehr als 10 Kilometern. Selbst die größte Radioschüssel, Chinas FAST-Teleskop, misst nur 500 Meter im Durchmesser. Anstatt also ein einziges großes Gericht zu bauen, bauen Sie Dutzende oder Hunderte kleinerer Gerichte, die zusammenarbeiten können. Es ist ein bisschen so, als würde man nur Teile eines großen großen Spiegels verwenden, anstatt das Ganze. Wenn Sie dies mit einem optischen Teleskop tun würden, wäre Ihr Bild nicht so hell, aber fast so scharf.
Licht von einem entfernten Objekt trifft auf eine Antenne vor der anderen. Bildnachweis: ESO
Aber es ist nicht so einfach, viele kleine Antennenschüsseln zu bauen. Bei einem einzigen Teleskop tritt das Licht eines entfernten Objekts in das Teleskop ein und wird durch den Spiegel oder die Linse auf einen Detektor fokussiert. Das Licht, das gleichzeitig das Objekt verlassen hat, erreicht gleichzeitig den Detektor, sodass Ihr Bild synchron ist. Wenn Sie eine Reihe von Radioschüsseln haben, jede mit eigenem Detektor, erreicht das Licht Ihres Objekts einige Antennendetektoren früher als andere. Wenn Sie nur alle Ihre Daten zusammenfassen würden, würden Sie ein Durcheinander haben. Hier kommt die Interferometrie ins Spiel.
Jede Antenne in Ihrem Array beobachtet dasselbe Objekt und markiert dabei den Zeitpunkt der Beobachtung sehr genau. Auf diese Weise haben Sie Dutzende oder Hunderte von Datenströmen, jeder mit eindeutigen Zeitstempeln. Aus den Zeitstempeln können Sie alle Daten wieder synchronisieren. Wenn Sie wissen, dass Schüssel B eine einzelne 2 Mikrosekunden nach Schüssel A bekommt, wissen Sie, dass Signal B um 2 Mikrosekunden nach vorne verschoben werden muss, um synchron zu sein.
Der Korrelatorcomputer am ALMA-Observatorium. Quelle: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Argandoña.
Die Mathematik dafür wird wirklich kompliziert. Damit die Interferometrie funktioniert, müssen Sie die Zeitdifferenz zwischen den einzelnen Antennenschüsseln kennen. Für 5 Gerichte sind das 15 Paar. Aber der VLA hat 27 aktive Gerichte oder 351 Paare. ALMA hat 66 Schalen, also 2.145 Paare. Nicht nur das, wenn sich die Erde dreht, ändert sich die Richtung Ihres Objekts relativ zu den Antennenschüsseln, was bedeutet, dass sich die Zeit zwischen den Signalen ändert, während Sie Beobachtungen machen. Sie müssen alles im Auge behalten, um die Signale zu korrelieren. Dies geschieht mit einem spezialisierten Supercomputer, der als Korrelator bekannt ist. Es wurde speziell für diese eine Berechnung entwickelt. Es ist der Korrelator, der Dutzende von Antennenschüsseln als ein einziges Teleskop fungieren lässt.
Es hat Jahrzehnte gedauert, die Radiointerferometrie zu verfeinern und zu verbessern, aber sie ist zu einem gängigen Werkzeug für die Radioastronomie geworden. Von der Einweihung des VLA im Jahr 1980 bis zum ersten Licht der ALMA im Jahr 2013 hat uns die Interferometrie außergewöhnlich hochauflösende Bilder geliefert. Die Technik ist mittlerweile so leistungsfähig, dass damit Teleskope auf der ganzen Welt verbunden werden können.
Das Event Horizon Telescope (EHT) – eine planetengroße Anordnung von acht bodengebundenen Radioteleskopen, die durch internationale Zusammenarbeit geschmiedet wurde – wurde entwickelt, um Bilder eines Schwarzen Lochs aufzunehmen. In koordinierten Pressekonferenzen auf der ganzen Welt enthüllten EHT-Forscher, dass es ihnen gelungen ist, den ersten direkten visuellen Beweis des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum von Messier 87 und seines Schattens zu enthüllen. Der hier zu sehende Schatten eines Schwarzen Lochs kommt einem Bild des Schwarzen Lochs selbst am nächsten, einem völlig dunklen Objekt, aus dem kein Licht entweichen kann. Die Grenze des Schwarzen Lochs – der Ereignishorizont, von dem das EHT seinen Namen hat – ist etwa 2,5-mal kleiner als der Schatten, den es wirft, und misst knapp 40 Milliarden Kilometer im Durchmesser. Dies mag zwar groß klingen, aber dieser Ring ist nur etwa 40 Mikrobogensekunden groß – das entspricht der Länge einer Kreditkarte auf der Mondoberfläche. Obwohl die Teleskope des EHT nicht physisch miteinander verbunden sind, können sie ihre aufgezeichneten Daten mit Atomuhren – Wasserstoff-Masern – synchronisieren, die ihre Beobachtungen genau timen. Diese Beobachtungen wurden während einer weltweiten Kampagne 2017 bei einer Wellenlänge von 1,3 mm gesammelt. Jedes Teleskop des EHT produzierte enorme Datenmengen – rund 350 Terabyte pro Tag – die auf Hochleistungs-Helium-gefüllten Festplatten gespeichert wurden. Diese Daten wurden an hochspezialisierte Supercomputer – sogenannte Korrelatoren – des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des MIT Haystack Observatory geflogen, um sie zusammenzuführen. Anschließend wurden sie mit neuartigen, von der Kollaboration entwickelten Computerwerkzeugen akribisch in ein Bild umgewandelt. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration
Im Jahr 2009 vereinbarten Radioobservatorien auf der ganzen Welt, an einem ehrgeizigen Projekt zusammenzuarbeiten. Sie verwendeten Interferometrie, um ihre Teleskope zu einem virtuellen Teleskop von der Größe eines Planeten zu kombinieren. Es ist als Event Horizon Telescope bekannt und lieferte uns 2019 unser erstes Bild eines Schwarzen Lochs.
Mit Teamwork und Interferometrie können wir jetzt eines der mysteriösesten und extremsten Objekte im Universum studieren.
