Зачем объединять телескопы
Один телескоп видит объект как точку. Если объединить данные с нескольких антенн, можно восстановить детали — словно собрать мозаику из множества наблюдений. Этим и занимается радиоинтерферометрия.
Базис, а не площадь
В радиоинтерферометрии угловое разрешение — способность различать мелкие детали — определяется не размером каждой антенны, а расстоянием между крайними телескопами. Этот показатель называется базисом.
Если два телескопа разнесены на тысячи километров и синхронно смотрят на один объект, их «виртуальный» диаметр равен этому расстоянию. Чтобы совместить сигналы с разных антенн, используют атомные часы с точностью до миллиардной доли секунды. Без этого данные невозможно сложить в одно изображение.
При длине волны 1,3 мм и базисе 12 700 км (диаметре Земли) разрешение составляет около 20 микросекунд дуги.
Чтобы понять, что такое микросекунда дуги, представьте: угловая секунда — это 1/3600 градуса. Микросекунда — это одна миллионная часть угловой секунды. Когда мы говорим, что разрешение телескопа составляет 20 микросекунд дуги, это означает, что он способен разглядеть деталь размером с мяч для гольфа на поверхности Луны. Именно такие крошечные углы позволяют астрономам различать тени черных дыр и структуру далеких галактик.
Предел, заданный размером планеты, уже достигнут.
Восемь обсерваторий и тень черной дыры
Именно этот принцип лежит в основе телескопа Event Horizon (Телескоп горизонта событий). 10 апреля 2019 года коллаборация опубликовала первое в истории изображение тени черной дыры — в центре галактики M87 в 55 миллионах световых лет от нас. Масса объекта — 6,5 миллиарда солнечных масс.
Тень — это область, где свет не может вырваться из-за гравитации черной дыры. Ее размер примерно в 2,5 раза больше горизонта событий. На снимке тень занимает около 40 микросекунд дуги — в два раза больше предела разрешения, поэтому ее удалось различить, пусть и размыто.
Для этого объединили восемь обсерваторий на четырех континентах — от Гавайев до Южного полюса. Данные 2017 года объемом около 3,5 петабайта записывали на жесткие диски и физически везли в вычислительные центры в Германии и США. Передать такой объем через интернет тогда было невозможно. В 2022 году Event Horizon сфотографировал Стрелец А* — черную дыру в центре нашего Млечного Пути.
Восемь станций уже используют максимальный земной базис. Что изменится, если добавить несколько сотен антенн?
Что прибавит тысяча телескопов
Разрешение при этом не вырастет — потолок задан диаметром Земли. Зато суммарная площадь зеркал и число пар телескопов изменятся принципиально.
В интерферометрии каждая пара телескопов дает одну порцию данных о сигнале. Восемь станций Event Horizon дают 28 таких пар. Тысяча телескопов дала бы около 500 000 пар, покрывая плоскость наблюдения почти сплошь. Изображение стало бы практически таким же детальным, как снимок с настоящего монолитного зеркала диаметром с Землю — меньше артефактов, меньше «дыр» в данных.
А с ростом суммарной площади зеркал падает минимальная мощность сигнала, который можно обнаружить.
Что откроется
Этот рост чувствительности меняет то, что физически доступно для наблюдения. Сегодня Event Horizon едва различает тень M87*. С площадью антенн в десять раз больше стало бы возможным детально картировать газовый диск, падающий на черную дыру, и в реальном времени следить, как струя плазмы длиной в тысячи световых лет вырывается из ее окрестностей.
Отдельный класс целей — пульсары. Порог обнаружения слабейших из них значительно снизил китайский телескоп FAST — крупнейший в мире одиночный радиотелескоп, начавший наблюдения в 2016 году. Объединенная система из тысячи антенн могла бы находить пульсары в соседних галактиках — объекты, недостижимые ни для одного из существующих инструментов. Быстрые радиовспышки, которые сейчас видны как мгновенные неразличимые импульсы, стали бы поддаваться структурному анализу.
Дальше — только орбита
Координация восьми обсерваторий Event Horizon потребовала десятилетия стандартизации атомных часов и единых стандартов сбора данных. Тысяча телескопов произведет за один сеанс в сотни раз больше данных, чем сейчас: хранить и обрабатывать такой поток с нынешними вычислительными мощностями невозможно.
Резкость можно улучшить лишь одним способом — выйти за пределы Земли. Российский «Спектр-Р» (проект RadioAstron, работавший с 2011 по 2019 год) объединялся с наземными антеннами и в ряде наблюдений создавал базис в восемь диаметров Земли, достигнув разрешения около 27 микросекунд дуги на частоте 22 ГГц. Следующий аппарат этого класса — «Спектр-М» — рассчитан на более короткие волны, где разрешение будет на порядок лучше.
Если направить на одну точку сразу все земные радиотелескопы, результат станет лучшим из достижимого на поверхности планеты: предельная чувствительность при предельном для Земли разрешении. Дальше этого предела наземная интерферометрия подняться не может. Все, что за ним, требует уже не новых антенн, а выхода на орбиту.