Il telescopio sferico ad apertura di cinquecento metri (FAST) ha appena terminato la costruzione nella provincia sud-occidentale di Guizhou. Credito:FAST
Quando gli astronomi parlano di un telescopio ottico, spesso menzionano le dimensioni del suo specchio. Questo perché più grande è il tuo specchio, più nitida può essere la tua visione del cielo. È noto come potere risolutivo, ed è dovuto a una proprietà della luce nota come diffrazione. Quando la luce passa attraverso un'apertura, come l'apertura del telescopio, tenderà ad allargarsi oa diffrangersi. Più piccola è l'apertura, più la luce si diffonde, rendendo la tua immagine più sfocata. Questo è il motivo per cui i telescopi più grandi possono catturare un'immagine più nitida rispetto a quelli più piccoli.
La diffrazione non dipende solo dalle dimensioni del tuo telescopio, dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce che osservi. Più lunga è la lunghezza d'onda, maggiore è la diffrazione della luce per una data dimensione di apertura. La lunghezza d'onda della luce visibile è molto piccola, meno di 1 milionesimo di metro di lunghezza. Ma la luce radio ha una lunghezza d'onda mille volte più lunga. Se vuoi catturare immagini nitide come quelle dei telescopi ottici, ti serve un radiotelescopio mille volte più grande di uno ottico. Fortunatamente, possiamo costruire radiotelescopi così grandi grazie a una tecnica nota come interferometria.
Per costruire un radiotelescopio ad alta risoluzione, non puoi semplicemente costruire un'enorme parabola radiofonica. Avresti bisogno di un piatto di più di 10 chilometri di diametro. Anche la più grande parabola radiofonica, Il telescopio FAST cinese, è a soli 500 metri di diametro. Quindi, invece di costruire un unico grande piatto, costruisci dozzine o centinaia di piatti più piccoli che possono funzionare insieme. È un po' come usare solo parti di un grande specchio invece dell'intera cosa. Se lo hai fatto con un telescopio ottico, la tua immagine non sarebbe così brillante, ma sarebbe quasi altrettanto nitido.
La luce di un oggetto distante colpisce un'antenna prima dell'altra. Credito:ESO
Ma non è così semplice come costruire tante piccole antenne paraboliche. Con un solo telescopio, la luce di un oggetto distante entra nel telescopio e viene focalizzata dallo specchio o dalla lente su un rivelatore. La luce che ha lasciato contemporaneamente l'oggetto raggiunge contemporaneamente il rilevatore, quindi la tua immagine è sincronizzata. Quando hai una serie di parabole radio, ognuno con il proprio rilevatore, la luce del tuo oggetto raggiungerà alcuni rilevatori di antenne prima di altri. Se hai appena combinato tutti i tuoi dati avresti un pasticcio confuso. È qui che entra in gioco l'interferometria.
Ogni antenna nell'array osserva lo stesso oggetto, e mentre lo fanno, ciascuno di essi segna il tempo dell'osservazione in modo molto preciso. Per di qua, hai decine o centinaia di flussi di dati, ciascuno con timestamp univoci. Dalle marche temporali, puoi risincronizzare tutti i dati. Se sai che il piatto B ottiene solo 2 microsecondi dopo il piatto A, sai che il segnale B deve essere spostato in avanti di 2 microsecondi per essere sincronizzato.
Il computer correlatore dell'Osservatorio ALMA. Attestazione:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Argandoña
La matematica per questo diventa davvero complicata. Affinché l'interferometria funzioni, devi conoscere la differenza di fuso orario tra ogni coppia di antenne paraboliche. Per 5 piatti sono 15 paia. Ma il VLA ha 26 parabole attive o 325 paia. ALMA ha 66 piatti, che fa per 2, 145 paia. Non solo quello, mentre la Terra ruota, la direzione del tuo oggetto cambia rispetto alle antenne paraboliche, il che significa che il tempo tra i segnali cambia man mano che si effettuano le osservazioni. Devi tenere traccia di tutto ciò per correlare i segnali. Questo viene fatto con un supercomputer specializzato noto come correlatore. È specificamente progettato per eseguire questo calcolo. È il correlatore che consente a decine di antenne paraboliche di agire come un unico telescopio.
L'Event Horizon Telescope (EHT) - una serie su scala planetaria di otto radiotelescopi terrestri forgiata attraverso una collaborazione internazionale - è stata progettata per catturare immagini di un buco nero. In conferenze stampa coordinate in tutto il mondo, I ricercatori dell'EHT hanno rivelato di esserci riusciti, svelando la prima prova visiva diretta del buco nero supermassiccio al centro di Messier 87 e della sua ombra. L'ombra di un buco nero vista qui è quanto di più vicino possiamo avvicinarci all'immagine del buco nero stesso, un oggetto completamente scuro dal quale la luce non può sfuggire. Il confine del buco nero - l'orizzonte degli eventi da cui l'EHT prende il nome - è circa 2,5 volte più piccolo dell'ombra che proietta e misura poco meno di 40 miliardi di km. Anche se questo può sembrare grande, questo anello è largo solo circa 40 microarcosecondi, equivalente a misurare la lunghezza di una carta di credito sulla superficie della Luna. Sebbene i telescopi che compongono l'EHT non siano fisicamente collegati, sono in grado di sincronizzare i dati registrati con gli orologi atomici, i maser a idrogeno, che cronometrano con precisione le loro osservazioni. Queste osservazioni sono state raccolte a una lunghezza d'onda di 1,3 mm durante una campagna globale del 2017. Ciascun telescopio dell'EHT produceva enormi quantità di dati, circa 350 terabyte al giorno, che venivano archiviati su dischi rigidi pieni di elio ad alte prestazioni. Questi dati sono stati inviati a supercomputer altamente specializzati, noti come correlatori, presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy e l'Osservatorio Haystack del MIT per essere combinati. Sono stati quindi accuratamente convertiti in un'immagine utilizzando nuovi strumenti di calcolo sviluppati dalla collaborazione. Credito:Collaborazione Event Horizon Telescope
Ci sono voluti decenni per perfezionare e migliorare l'interferometria radio, ma è diventato uno strumento comune per la radioastronomia. Dall'inaugurazione della VLA nel 1980 alla prima luce di ALMA nel 2013, l'interferometria ci ha fornito immagini ad altissima risoluzione. La tecnica è ora così potente che può essere utilizzata per collegare telescopi in tutto il mondo.
Nel 2009, gli osservatori radiofonici di tutto il mondo hanno deciso di lavorare insieme su un progetto ambizioso. Hanno usato l'interferometria per combinare i loro telescopi per creare un telescopio virtuale grande quanto un pianeta. È noto come il telescopio dell'orizzonte degli eventi, e nel 2019, ci ha dato la nostra prima immagine di un buco nero.
Con il lavoro di squadra e l'interferometria, ora possiamo studiare uno degli oggetti più misteriosi ed estremi dell'universo.
