Πώς οι ραδιοκεραίες “ενώνουν” τις δυνάμεις τους για να αποκαλύψουν το Σύμπαν σε υψηλή ανάλυση

Όταν οι ραδιοαστρονόμοι αναζητούν μια πιο καθαρή ματιά στο Σύμπαν, δεν χτίζουν απλώς μεγαλύτερα ραδιοτηλεσκόπια. Ενώνουν δεκάδες μικρότερα, τα συντονίζουν με ακρίβεια και τα μεταμορφώνουν σε ένα τεράστιο, συλλογικό μάτι στραμμένο προς τον ουρανό. Οι πιο λεπτομερείς εικόνες στα ραδιοκύματα (όπως η εικόνα της μελανής οπής του M87 από το Event Horizon Telescope) δημιουργούνται από δίκτυα κεραιών διασκορπισμένων σε ερήμους, βουνά ή ακόμα και σε ολόκληρες ηπείρους, που “ακούν” το ίδιο σήμα από το διάστημα. Η τεχνική που το καθιστά αυτό δυνατό ονομάζεται συμβολομετρία (interferometry), και έχει αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο παρατηρούμε το Σύμπαν.

Η συμβολομετρία λειτουργεί συνδυάζοντας τα ραδιοκύματα που συλλέγουν πολλές κεραίες, με κάθε κεραία να λαμβάνει το ίδιο κύμα με μια μικρή χρονική καθυστέρηση, ανάλογα με τη θέση της (Εικόνα 1). Συγκρίνοντας αυτές τις χρονικές διαφορές, οι αστρονόμοι μπορούν να αναπαραστήσουν λεπτομέρειες σχετικά με το από πού προήλθε η ακτινοβολία, και όταν δύο ή περισσότερα κύματα συνδυάζονται, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σύμφωνα με το φαινόμενο συμβολής, ενισχύοντας ή ακυρώνοντας το ένα το άλλο. Το μοτίβο αυτής της συμβολής περιέχει πληροφορίες για τη δομή της πηγής.

Σε μία συστοιχία από κεραίες, κάθε ένα ζεύγος κεραιών σχηματίζει μια βάση (baseline) ανάλογα την απόστασή τους στο έδαφος, που λειτουργεί σαν χάρακας ο οποίος μετρά λεπτομέρειες σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση του ουρανού. Οι μικρές βάσεις είναι ευαίσθητες σε μεγάλες, ομαλές δομές (για παράδειγμα διάχυτη ακτινοβολία), ενώ οι μεγάλες βάσεις καταγράφουν μικρές, πιο οξείες λεπτομέρειες (για παράδειγμα νήματα αερίου). Με λίγα λόγια: όσο πιο μακριά βρίσκονται ένα ζεύγος κεραιών μεταξύ τους, τόσο καλύτερη ανάλυση έχει η εικόνα που ανακτούμε. Με αυτή τη λογική λειτουργεί και το Event Horizon Telescope (Εικόνα 2), το οποίο χρησιμοποιεί κεραίες από όλη την επιφάνεια του πλανήτη για τις εικόνες του.

Τα δεδομένα από όλα αυτά τα ζεύγη συνδυάζονται στον υπολογιστή, δημιουργώντας σταδιακά μια πλήρη εικόνα της πηγής, όπως ένα μωσαϊκό που συμπληρώνεται κομμάτι-κομμάτι. Καθώς η Γη περιστρέφεται, οι κεραίες αλλάζουν τη σχετική τους γωνία ως προς τον ουρανό. Αυτή η αργή μεταβολή προσθέτει νέα “κομμάτια” στο μωσαϊκό χωρίς να χρειάζεται να μετακινηθούν οι κεραίες, βελτιώνοντας έτσι την τελική εικόνα.

Με αυτόν τον τρόπο, αστεροσκοπεία όπως το ALMA (Εικόνα 3) στη Χιλή ή το VLA στο Νέο Μεξικό πετυχαίνουν ευκρίνεια που αλλιώς θα απαιτούσε ένα τηλεσκόπιο δεκάδων χιλιομέτρων σε διάμετρο. Η συμβολομετρία έχει πλέον επεκταθεί σε παγκόσμια κλίμακα με τη συμβολομετρία πολύ μακράς βάσης (Very Long Baseline Interferometry, ή VLBI), όπου οι κεραίες βρίσκονται σε απόσταση χιλιάδων χιλιομέτρων. Προκειμένου να υπάρχει συγχρονισμός των σημάτων που καταγράφονται, χρησιμοποιούνται ατομικά ρολόγια. Όταν αυτά τα δεδομένα συνδυάζονται, μπορούν να αποκαλύψουν μέχρι και δομές όσο η “σκιά” μιας μαύρης τρύπας (η οποία φαίνεται πολύ μικρή από τη Γη λόγω των κοσμικών αποστάσεων που μας χωρίζουν).

Ωστόσο, αυτή η τεράστια δύναμη έχει και το τίμημά της. Η συμβολομετρία απαιτεί εξαιρετική ακρίβεια στον συγχρονισμό, συνεχή βαθμονόμηση και τεράστιες ποσότητες δεδομένων που πρέπει να επεξεργαστούν. Μικρά σφάλματα στη φάση ή στην ευθυγράμμιση (όπως μπορεί να προκύψουν από τη φυσική μεταβλητότητα του σήματος της πηγής, ένα σημαντικό πρόβλημα στη δημιουργία του πορτρέτου της μελανής οπής του Γαλαξία μας) μπορούν να αλλοιώσουν ολόκληρη την εικόνα, ενώ το φιλτράρισμα του θορύβου και των τεχνητών παρεμβολών παραμένει μια δύσκολη μάχη. Ακόμα και όταν όλα λειτουργούν σωστά, η εικόνα που προκύπτει δεν είναι “καθαρή” από την αρχή, αλλά το τελικό αποτέλεσμα μοιάζει με φωτογραφία που έχει θαμπάδες και ψευδή είδωλα. Για να ανακτηθεί η πραγματική μορφή της πηγής, οι αστρονόμοι πρέπει να εφαρμόσουν μαθηματικές μεθόδους απο-συνέλιξης (deconvolution).

Παρότι η συμβολομετρία είναι μια πολύπλοκη και απαιτητική τεχνική, τα αποτελέσματά της είναι εντυπωσιακά. Ενώνοντας πολλές μικρές κεραίες σε ένα τεράστιο εικονικό μάτι, οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρούν το Σύμπαν με λεπτομέρεια που ποτέ πριν δεν ήταν δυνατή.