Als astronomen het hebben over een optische telescoop, noemen ze vaak de grootte van de spiegel. Dat komt omdat hoe groter je spiegel, hoe scherper je zicht op de hemel kan zijn. Het staat bekend als oplossend vermogen en is te wijten aan een eigenschap van licht die bekend staat als diffractie. Wanneer licht door een opening gaat, zoals de opening van de telescoop, zal het de neiging hebben zich uit te spreiden of te buigen. Hoe kleiner de opening, hoe meer het licht zich verspreidt, waardoor je afbeelding waziger wordt. Daarom kunnen grotere telescopen een scherper beeld vastleggen dan kleinere.
Diffractie hangt niet alleen af van de grootte van je telescoop, maar ook van de golflengte van het licht dat je waarneemt. Hoe langer de golflengte, hoe meer licht er afbuigt bij een gegeven opening. De golflengte van zichtbaar licht is erg klein, minder dan een miljoenste meter lang. Maar radiolicht heeft een golflengte die duizend keer langer is. Als je beelden wilt vastleggen die net zo scherp zijn als die van optische telescopen, heb je een radiotelescoop nodig die duizend keer groter is dan een optische. Gelukkig kunnen we zulke grote radiotelescopen bouwen dankzij een techniek die interferometrie wordt genoemd.
De vijfhonderd meter Aperture Spherical Telescope (FAST) is zojuist gebouwd in de zuidwestelijke provincie Guizhou. Krediet: SNEL
Om een radiotelescoop met hoge resolutie te bouwen, kun je niet zomaar een enorme radioschotel bouwen. Je hebt een schotel nodig van meer dan 10 kilometer breed. Zelfs de grootste radioschotel, China's FAST-telescoop, is slechts 500 meter breed. Dus in plaats van één groot gerecht te bouwen, bouw je tientallen of honderden kleinere gerechten die kunnen samenwerken. Het is een beetje alsof je alleen delen van een hele grote spiegel gebruikt in plaats van het hele ding. Als je dit met een optische telescoop zou doen, zou je beeld niet zo helder zijn, maar bijna net zo scherp.
Licht van een ver object valt op de ene antenne voor de andere. Krediet: ESO
Maar het is niet zo eenvoudig als het bouwen van veel kleine antenneschotels. Met een enkele telescoop komt het licht van een ver object de telescoop binnen en wordt door de spiegel of lens op een detector gefocusseerd. Het licht dat tegelijkertijd het object verliet, bereikt tegelijkertijd de detector, zodat je beeld synchroon loopt. Wanneer u een reeks radioschotels heeft, elk met hun eigen detector, zal het licht van uw object sommige antennedetectoren eerder bereiken dan andere. Als je al je gegevens zou combineren, zou je een warboel hebben. Dit is waar interferometrie om de hoek komt kijken.
Elke antenne in uw array neemt hetzelfde object waar, en terwijl ze dat doen, markeren ze elk het tijdstip van de observatie heel precies. Zo heb je tientallen of honderden datastromen, elk met unieke tijdstempels. Vanuit de tijdstempels kunt u alle gegevens weer synchroniseren. Als je weet dat schotel B een enkele 2 microseconden na schotel A krijgt, weet je dat signaal B 2 microseconden vooruit moet worden geschoven om synchroon te zijn.
De correlatorcomputer van het ALMA Observatorium. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Argandoña.
De wiskunde hiervoor wordt echt ingewikkeld. Om interferometrie te laten werken, moet u het tijdsverschil tussen elk paar antenneschotels kennen. Voor 5 gerechten zijn dat 15 paar. Maar de VLA heeft 27 actieve schotels of 351 paren. ALMA heeft 66 gerechten, goed voor 2.145 paar. Niet alleen dat, aangezien de aarde draait, verschuift de richting van je object ten opzichte van de antenneschotels, wat betekent dat de tijd tussen de signalen verandert terwijl je waarnemingen doet. Je moet het allemaal bijhouden om de signalen te correleren. Dit wordt gedaan met een gespecialiseerde supercomputer die bekend staat als een correlator. Het is speciaal ontworpen om deze ene berekening uit te voeren. Het is de correlator die tientallen antenneschotels als één telescoop laat fungeren.
Het heeft tientallen jaren geduurd om radio-interferometrie te verfijnen en te verbeteren, maar het is een algemeen hulpmiddel geworden voor radioastronomie. Vanaf de inhuldiging van de VLA in 1980 tot het eerste licht van ALMA in 2013 heeft interferometrie ons beelden met een buitengewoon hoge resolutie opgeleverd. De techniek is nu zo krachtig dat het kan worden gebruikt om telescopen over de hele wereld aan te sluiten.
De Event Horizon Telescope (EHT) - een array op planeetschaal van acht radiotelescopen op aarde, gesmeed door internationale samenwerking - is ontworpen om beelden van een zwart gat vast te leggen. In gecoördineerde persconferenties over de hele wereld onthulden EHT-onderzoekers dat ze erin zijn geslaagd, door het eerste directe visuele bewijs van het superzware zwarte gat in het centrum van Messier 87 en zijn schaduw te onthullen. De schaduw van een zwart gat die we hier zien, komt het dichtst in de buurt van een afbeelding van het zwarte gat zelf, een volledig donker object waaruit licht niet kan ontsnappen. De grens van het zwarte gat - de waarnemingshorizon waaraan de EHT zijn naam ontleent - is ongeveer 2,5 keer kleiner dan de schaduw die het werpt en meet iets minder dan 40 miljard km in doorsnee. Hoewel dit misschien groot klinkt, is deze ring slechts ongeveer 40 microboogseconden breed - gelijk aan het meten van de lengte van een creditcard op het oppervlak van de maan. Hoewel de telescopen waaruit de EHT bestaat niet fysiek met elkaar verbonden zijn, kunnen ze hun opgenomen gegevens synchroniseren met atoomklokken - waterstofmasers - die hun waarnemingen precies timen. Deze waarnemingen werden verzameld bij een golflengte van 1,3 mm tijdens een wereldwijde campagne in 2017. Elke telescoop van de EHT produceerde enorme hoeveelheden gegevens - ongeveer 350 terabyte per dag - die werden opgeslagen op krachtige met helium gevulde harde schijven. Deze gegevens werden overgevlogen naar zeer gespecialiseerde supercomputers - bekend als correlatoren - van het Max Planck Institute for Radio Astronomy en MIT Haystack Observatory om te worden gecombineerd. Ze werden vervolgens nauwgezet omgezet in een afbeelding met behulp van nieuwe computerhulpmiddelen die door de samenwerking werden ontwikkeld. Credit: Event Horizon Telescope-samenwerking
In 2009 kwamen radio-observatoria over de hele wereld overeen om samen te werken aan een ambitieus project. Ze gebruikten interferometrie om hun telescopen te combineren tot een virtuele telescoop zo groot als een planeet. Het staat bekend als de Event Horizon Telescope en in 2019 gaf het ons ons eerste beeld van een zwart gat.
Met teamwork en interferometrie kunnen we nu een van de meest mysterieuze en extreme objecten in het universum bestuderen.