После сборки EHT — с ALMA в качестве самого большого и наиболее чувствительного объекта — сформирует телескоп размером с Землю с силой увеличения, необходимой для просмотра деталей на краю сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.Однако, прежде чем ALMA сможет предоставить свои непревзойденные возможности для этого и подобных научных наблюдений, он должен сначала преобразоваться в инструмент другого типа, известный как фазированная антенная решетка.
Эта новая версия ALMA позволит его 66 антеннам работать как одна антенна диаметром 85 метров. Именно эта объединенная сила в сочетании со сверхточным хронометражом позволит ALMA установить связь с другими обсерваториями.
Важная веха на этом пути была недавно достигнута, когда научная группа выполнила то, что можно было бы назвать «трансплантацией сердца» на телескопе, установив изготовленные на заказ атомные часы, работающие от водородного мазера. В этих новых часах используется процесс, аналогичный лазерному, для усиления одного чистого тона, циклы которого подсчитываются для получения высокоточного «тика».
Первоначальный эталон времени ALMA, часы на основе газа рубидия, будут сняты с производства и будут использоваться в качестве запасных после того, как мазер будет полностью интегрирован с электроникой ALMA.Шеп Доулман, главный исследователь проекта ALMA Phasing и помощник директора обсерватории Haystack Массачусетского технологического института, участвовал во время установки мазера через удаленную видеосвязь. «Как только фазировка будет завершена, ALMA будет использовать сверхточное тиканье этих новых атомных часов, чтобы присоединиться к метко названному Event Horizon Telescope как к наиболее чувствительному участку, повышая чувствительность в 10 раз», — сказал он.Расширяя границы астрономии
Сверхмассивные черные дыры скрываются в центре всех галактик и содержат в миллионы или даже миллиарды раз больше массы нашего Солнца. Эти изгибающие пространство чудовища настолько массивны, что ничто, даже свет, не может избежать их гравитационного воздействия.
Понимание того, как черная дыра поглощает материю, приводит в действие струи частиц и энергии и искажает пространство и время, является ведущей проблемой в астрономии и физике.Черная дыра в центре Млечного Пути — это гигант с массой 4 миллиона солнечных, расположенный примерно в 26000 световых лет от Земли в направлении созвездия Стрельца. Он закрыт от оптических телескопов плотными облаками пыли и газа, поэтому такие обсерватории, как ALMA, которые работают на более длинных миллиметровых и субмиллиметровых волнах, необходимы для изучения его свойств.
Сверхмассивные черные дыры могут быть относительно спокойными, или они могут вспыхивать и запускать невероятно мощные струи субатомных частиц вглубь межгалактического пространства; квазары, наблюдаемые в очень ранней Вселенной, являются ярким примером. Топливо для этих форсунок поступает из падающего материала, который перегревается по спирали внутрь. Астрономы надеются захватить центральную черную дыру нашей Галактики в процессе активного питания, чтобы лучше понять, как черные дыры влияют на эволюцию нашей Вселенной и как они влияют на развитие звезд и галактик.
Поэтапный ALMA прибудет как раз вовремя, чтобы наблюдать долгожданное космическое событие — столкновение гигантского облака пыли и газа, известного как G2, с центральной сверхмассивной черной дырой нашей Галактики. Предполагается, что это столкновение может разбудить этого спящего гиганта, генерируя чрезвычайную энергию и, возможно, подпитывая струю субатомных частиц, что является весьма необычной особенностью в зрелой спиральной галактике, такой как Млечный Путь.
Ожидается, что столкновение начнется в 2014 году и, вероятно, будет продолжаться более года.Изображение горизонта событий с высоким разрешением также могло бы улучшить наше понимание того, как высокоупорядоченная Вселенная, описанная Эйнштейном, взаимодействует с беспорядочным и хаотическим космосом квантовой механики — двух систем для описания физического мира, которые крайне несовместимы в мельчайших масштабах. .Другое независимое исследование будет нацелено на молекулы в космосе, чтобы определить, изменились ли фундаментальные константы природы с течением времени.
Темная наукаСпособность черных дыр изгибать свет также дает уникальную возможность наблюдать так называемую «тень» черной дыры.
Свет вблизи горизонта событий черной дыры не движется по прямой линии, а вместо этого принимает странные гиперболические траектории и даже может достичь стабильной орбиты. Часть этого света, который начинает свое путешествие, удаляясь от наблюдателей на Земле, может искривляться, искривляясь таким образом, что он принимает поворот на 180 градусов. Это позволило бы ученым изучить обратную сторону черной дыры и фактически увидеть ее тень в космосе.
Поскольку размер и форма этой тени зависят от массы и вращения черной дыры, эти наблюдения могут многое рассказать нам о том, как пространство и время искажаются в этой экстремальной среде.Расчеты показывают, что для изображения эффекта тени необходимо разрешение в 50 микросекунд (примерно в 2000 раз лучше, чем у космического телескопа Хаббла). Это эквивалентно чтению даты на четверти на расстоянии от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса.
Это удивительное изображение с высоким разрешением доступно телескопу Event Horizon с поддержкой ALMA.График разработки и финансирование
Первоначальное планирование поэтапного массива ALMA началось в 2008 году, движимое целью визуализации черной дыры и другой ранее недостижимой наукой. Требования, необходимые для фазирования массива ALMA, были переданы группе разработчиков ALMA на раннем этапе, поэтому план реализации не повлияет на строительство или работу ALMA.Поэтапный массив ALMA финансируется главным образом Национальным научным фондом США.
Дополнительное финансирование обеспечивается за счет взносов Северной Америки в Фонд развития ALMA и международного распределения затрат через Институт астрономии и астрофизики Academia Sinica, Институт радиоастрономии Макса Планка, Universidad de Concepcion, Японское общество содействия науке и Toray Научный фонд. Первоначальное финансирование было предоставлено в 2011 году.
Проект прошел предварительную проверку дизайна и был одобрен Советом ALMA в 2012 году. Проект прошел критическую проверку дизайна в 2013 году.Текущая цель — протестировать первый комбинированный сигнал фазированного ALMA и другого телескопа в 2014 году, а также пройти полный ввод в эксплуатацию и быть готовым к полным наблюдениям в 2015 году.Технологии и инженерия
ALMA был разработан для работы в качестве интерферометра — телескопа, состоящего из множества отдельных элементов. Каждая пара антенн создает единую базовую линию.
ALMA может произвести до 1291 базовых линий, некоторые длиной до 16 километров.Однако фазированная антенная решетка работает иначе. Сигналы от всех антенн просто складываются.
Для этого в Центральной лаборатории развития Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния, создается специализированная электроника и компьютерное оборудование. Эти новые печатные платы будут установлены в коррелятор ALMA, суперкомпьютер, который объединяет сигналы с антенн.
Затем сигнал от фазированной решетки будет иметь отметку времени и закодирован специальными атомными часами — новым водородным мазером, приобретенным и испытанным обсерваторией Хейстек Массачусетского технологического института, — что позволит отправлять данные в центральный обрабатывающий центр, где они будут можно комбинировать с сигналами других телескопов, синхронизированными по времени.Высокоскоростные регистраторы, которые будут захватывать поток данных, поступающих от фазированной решетки ALMA, были разработаны обсерваторией Haystack Массачусетского технологического института.
Программное обеспечение для запуска новой системы поэтапного внедрения разрабатывается несколькими учреждениями, участвующими в проекте поэтапного внедрения.Телескоп горизонта событийТелескоп Event Horizon (EHT) получает невероятную мощность увеличения, соединяя широко разнесенные радиотарелки по всему земному шару в виртуальный телескоп размером с Землю. Этот метод, называемый интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), представляет собой тот же процесс, который позволяет телескопам, таким как массив очень длинных базовых линий (VLBA) NRAO, достигать такой удивительной мощности и разрешения.
Разница между существующими установками VLBI и EHT заключается в абсолютном географическом охвате проекта EHT, его расширении до самых коротких длин волн наблюдений и добавлении беспрецедентной зоны сбора, обеспечиваемой поэтапным ALMA.«Объединив самые передовые радиотарелки миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов по всему миру, телескоп Event Horizon Telescope создает принципиально новый инструмент с самой большой из когда-либо достигнутой увеличительной силой», — сказал Доулман. «Основанный на ALMA, EHT откроет новое окно для исследования черных дыр и сосредоточит внимание на одном из немногих мест во Вселенной, где теории Эйнштейна могут потерпеть неудачу: на горизонте событий».ALMA, международная астрономическая лаборатория, является партнерством Европы, Северной Америки и Восточной Азии в сотрудничестве с Республикой Чили.
Строительством и эксплуатацией ALMA от имени Европы руководит ESO, от имени Северной Америки — Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), а от имени Восточной Азии — Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ). Объединенная обсерватория ALMA (JAO) обеспечивает единое руководство и управление строительством, вводом в эксплуатацию и эксплуатацией ALMA.
Национальный научный фонд США (NSF) — это независимое федеральное агентство, которое поддерживает фундаментальные исследования и образование во всех областях науки и техники.