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Event Horizon Telescope: Pianificazione per le immagini di un buco nero

L’Interferometria di base molto lunga (VLBI) è una tecnica in cui un segnale proveniente da una fonte radio astronomica, come un quasar, viene raccolto su più radiotelescopi terrestri. Le distanze tra i radiotelescopi vengono quindi calcolate utilizzando la differenza di tempo tra gli arrivi del segnale radio a diversi telescopi. Ciò consente di combinare le osservazioni di un oggetto diverso con diversi radiotelescopi, creando un “telescopio virtuale” con una dimensione pari alla “massima separazione tra i telescopi”. È richiesto un minimo di tre antenne.

I dati ricevuti da ciascuna antenna nell’array includono il tempo di arrivo misurato da un orologio atomico locale come un maser all’idrogeno. I dati sono memorizzati su dischi rigidi locali. In un secondo momento, tutti i dati vengono raccolti su un super-computer e correlati tra loro per produrre un’immagine ad altissima risoluzione.

La risoluzione ottenibile utilizzando l’interferometria è proporzionale alla frequenza osservata, ossia maggiore è la frequenza, maggiore è la risoluzione dell’immagine finale. L’EHT è iniziato a 16 Gb / s nel 2015, quindi a 32 Gb / s nel 2016 e infine a 64 Gb / s in diversi anni.

La tecnica VLBI consente alla distanza tra i telescopi di essere molto maggiore di quella possibile con l’interferometria convenzionale, che richiede che le antenne siano fisicamente collegate mediante cavi coassiali o altri tipi di linee di trasmissione.

Le grandi separazioni del telescopio sono possibili in VLBI a causa dell’invenzione della tecnica di “phase phase imaging” di Roger Jennison negli anni ’50. Questa tecnica regola i singoli cicli di fase dell’immagine per eliminare piccoli errori di ritardo dalle varie antenne. L’imaging in fase di chiusura è stato un brillante sviluppo che ha permesso ai radiotelescopi di oggi.

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L’Event Horizon Telescope (EHT) sarà inizialmente composto da 12 osservatori radio basati in tutto il mondo con l’obiettivo di osservare da vicino il buco nero al centro della Via Lattea. (Un prototipo di sistema di 6 telescopi è in funzione da un po ‘di tempo). Vedere l’immagine a sinistra che mostra i radiotelescopi in Hawaii, California, Arizona, Messico, Francia, Spagna, Cile e Polo Sud.

Attraverso la tecnica del VLBI (vedi sopra) molte antenne radio indipendenti separate da migliaia di miglia possono essere messe in funzione in concerto per creare un telescopio “virtuale” con un diametro quasi uguale alle dimensioni del pianeta. Poiché la separazione tra i telescopi che compongono la matrice è aumentata, la risoluzione dell’array è aumentata ed è in grado di distinguere dettagli più fini e più fini. Inoltre, l’aumento della frequenza delle apparecchiature migliora la risoluzione. Entrambi i miglioramenti sono stati implementati nel 2016. Il primo buco nero della Via Lattea si verificherà nella primavera del 2017.

Massicci di peso, i buchi neri sono estremamente compatti e appaiono come piccoli punti nel cielo attraverso i più potenti telescopi singoli. Lasciati da soli buchi neri, come il nostro buco nero della Via Lattea, giacciono dormienti con le loro bocche aperte. Ma quando una stella che passa o una nuvola di gas viene nelle loro vicinanze attratta dalla gravità del buco nero, il gas o la stella viene scaldato a miliardi di gradi mentre ruota nel disco di accrescimento della ciambella. I buchi neri sono mangiatori sciatti e quando si nutrono, getti di raggi X e altre radiazioni vengono violentemente espulsi nell’area circostante.

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Immagine radiografica morbida di Sgr A * (al centro) e due echi di luce da un’esplosione recente

Si pensa ai buchi neri come aspirapolveri giganteschi che aspirano tutto ciò che si avvicina troppo. Ma i buchi neri supermassicci al centro delle galassie sono più simili a motori cosmici, che convertono l’energia dalla materia in caduta in un’intensa radiazione. Getti di raggi X e altre radiazioni vengono violentemente espulsi nelle aree circostanti.

L’Event Horizon Telescope prende il nome dal punto di non ritorno “l’orizzonte degli eventi” di un buco nero. Il suo compito è quello di “vedere” ciò che è stato fino ad ora invisibile: una piccola sfera oscura del nulla, una piccola macchia nel bagliore della radiazione proveniente dal centro della nostra galassia. Vedi il Sagittario A * (pronunciato Sagittario Una Stella e Abbreviato Sgr. A *) a sinistra.

Sgr. A * è la posizione del buco nero sepolto nella polvere e nel gas nel mezzo della nostra galassia della Via Lattea a 26.000 anni luce di distanza (150.000 trilioni di miglia di distanza). Non è visibile alla luce normale. Può essere visto solo nella luce a infrarossi e ai raggi X. È lì che gli astronomi credono che si stia nascondendo un buco nero supermassiccio, un minuscolo buco nel quale è scomparso l’equivalente di quattro milioni di soli.

Tuttavia, per osservare Sgr. L’orizzonte degli eventi di A *, uno ha bisogno di uno strumento con una risoluzione estremamente piccola. L’orizzonte degli eventi di Sgr. A * è stimato in circa 50 microsecondi (μas) di diametro. (Un arco di secondo è 1/3600 di grado, una misura della risoluzione angolare usata dagli astronomi). Uno dei più potenti osservatori ottici del pianeta, i telescopi gemelli Keck in cima a Mauna Kea alle Hawaii, può risolvere solo fino a 20.000 μas. Cercare di vedere qualcosa di 50 μA è come essere a Los Angeles e provare a leggere la data su una moneta a New York City

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Alcuni esempi di istantanee dell’ombra simulata dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Le immagini di questa simulazione dimostrano ciò che ci aspettiamo di vedere nell’emissione di 1,3 mm in eventuali immagini dall’Event Horizon Telescope. [Adattato da Medeiros et al. 2018]

Un telescopio di dimensioni planetarie

The Event Horizon Telescope and Global mm-VLBI Array on the Eart
Le posizioni dei telescopi partecipanti dell’Event Horizon Telescope (EHT) e della Global mm-VLBI Array (GMVA) a partire da marzo 2017. Insieme, questi telescopi progettano di raffigurare l’ombra dell’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. [ESO / O. Furtak]
L’ Event Horizon Telescope (EHT) è composto da osservatori radio in tutto il mondo. Questi osservatori combinano i loro dati usando un’interferometria di base molto lunga per creare un telescopio virtuale che abbia un diametro effettivo dell’intero pianeta!

L’EHT, sperano i ricercatori, avrà il potere di scrutare in termini di emissione millimetrica fino all’orizzonte di un buco nero accattivante – in particolare, Sgr A *, il buco nero supermassiccio nel centro della Via Lattea – per conoscere la fisica dei buchi neri e la relatività generale nelle profondità della forza gravitazionale di questo mostro.

Oggi, l’EHT è più vicino che mai al suo obiettivo, poiché il progetto continua ad aumentare il suo potere risolutivo e la sua sensibilità man mano che altri telescopi si uniscono al sistema. Un altro aspetto importante di questo progetto esiste comunque: la capacità di analizzare e caratterizzare le immagini che produce in modo significativo.

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Un semplice esempio di utilizzo dell’analisi dei componenti principali per scomporre un insieme di immagini in autobiografie indipendenti. Le immagini di esempio (riga superiore) sono istantanee da un modello semplice di una macchia gaussiana che si muove su un percorso circolare. I primi quattro componenti della decomposizione dell’analisi dei componenti principali – le quattro autografie principali – sono mostrati nella riga inferiore, etichettati con i rispettivi autovalori corrispondenti. [Adattato da Medeiros et al. 2018]
Recentemente, un team di scienziati guidato da Lia Medeiros (Università dell’Arizona, Università della California di Santa Barbara) ha dimostrato che un nuovo approccio – l’analisi delle componenti principali – potrebbe essere uno strumento utile in questo processo.

Componenti principali

L’analisi delle componenti principali è un approccio matematico intelligente che consente all’utente di convertire un complesso insieme di osservazioni di variabili nei loro “componenti principali”. Questo processo, comunemente usato nelle applicazioni statistiche tradizionali come economia e finanza, può semplificare la quantità di informazioni presenti nelle osservazioni e aiutare a identificare la variabilità.

Medeiros e collaboratori dimostrano che una sequenza temporale di osservazioni EHT simulate – prodotte da simulazioni magnetoidrodinamiche generiche e relativistiche ad alta fedeltà di un buco nero – può essere scomposta utilizzando l’analisi delle componenti principali in una somma di “autobiografie” indipendenti. Queste eigenimages forniscono un mezzo per comprimere le informazioni nelle istantanee: la maggior parte delle istantanee può essere riprodotta sommando solo poche decine di autografie principali.

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Un’istantanea tipica di una simulazione (in alto), seguita da tre diverse ricostruzioni dell’istantanea dalle principali autografie a 10, 40 e 100. [Adattato da Medeiros et al. 2018]

Esplorazione del flusso costante e variabile

Come è utile? Se le immagini di simulazioni di un buco nero possono essere rappresentate da somme di autovalori, così possono le osservazioni effettive prodotte dall’EHT. Confrontando le due serie di osservazioni, reali e simulate, all’interno di questo quadro di identificazione automatica, saremo in grado di comprendere meglio le componenti di ciò che stiamo osservando. Inoltre, la matematica dell’analisi delle componenti principali consente a questo di funzionare anche con dati interferometrici sparsi, come previsto con le osservazioni EHT.

Inoltre, riconoscere le immagini che non sonorappresentate bene dalle immagini principali è altrettanto importante. Queste immagini anomale possono essere indicative di fenomeni flaring o altrimenti variabili attorno al buco nero, e identificare i momenti in cui ciò si verifica ci aiuterà a comprendere meglio la fisica dei flussi di accrescimento attorno ai buchi neri.

Quindi tieni d’occhio le prime immagini dell’EHT, che ci si aspetta presto: ci sono buone probabilità che l’analisi delle componenti principali ci aiuti a dare un senso a queste!

 

 

Riferimenti

  1. Osservando l’ombra del buco nero al centro galattico
  2. Imaging polarimetrico del massiccio buco nero al centro galattico
  3. Sito Web principale del progetto
  4. Addio, Dennis (8 giugno 2015). “Cacciatori di buco nero” . NASA . Estratto l’ 8 giugno2015 .
  5. Addio, Dennis; Corum, Jonathan; Drakeford, Jason (8 giugno 2015). “Video: Peering into a Black Hole” . New York Times . ISSN  0362-4331 . Estratto il 9 giugno 2015 .
  6. “Organizzazione” . Retrieved 2018-07-23 .
  7. , Ian (2 luglio 2015). “Event Horizon Telescope testerà i misteri di Spacetime” . Notizie di scoperta . Estratto il 21/08/2015 .
  8. MIT Osservatorio Haystack
  9. Webb, Jonathan (8 gennaio 2016). “Istantanea dell’orizzonte degli eventi prevista per il 2017” . BBC News . Retrieved 2016-03-24 .
  10. Davide Castelvecchi (23 marzo 2017). “Come cercare un buco nero con un telescopio delle dimensioni della Terra” . Natura . 543 (7646): 478-480. Bibcode : 2017Natur.543..478C . doi : 10.1038 / 543478a . PMID  28332538 . Estratto il 30 marzo 2017 .
  11. “Aggiornamento stato EHT, 15 dicembre 2017” . eventhorizontelescope.org . Retrieved 2018-02-09 .
  12. Mearian, Lucas (18 agosto 2015). “Il massiccio telescopio del telescopio punta al buco nero, ottiene il gusher dei dati” . Computer World . Estratto il 21/08/2015 .
  13. “The Event Horizon Telescope e Global mm-VLBI Array on the Earth” . www.eso.org . Estratto il 31 marzo 2017 .
  14. Event Horizon Telescope – Collaborators Archiviato il 2017-06-10 alla Wayback Machine . Agosto 2015.

Citazione

“Analisi delle componenti principali come strumento per la caratterizzazione delle immagini e della variabilità del foro nero”, Lia Medeiros et al 2018 ApJ 864 7. doi: 10.3847 / 1538-4357 / aad37a

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