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干涉测量的工作原理以及为何对天文学如此强大

当天文学家谈论光学望远镜时,他们经常提到其反射镜的大小。那是因为您的镜子越大,您对天空的视野就越清晰。这称为分辨力,这是由于光的特性(称为衍射)所致。当光线通过一个开口(例如望远镜的开口)时,它将趋向于扩散或衍射。开口越小,光线越散开,使图像更加模糊。这就是为什么较大的望远镜可以捕获比较小的望远镜更清晰的图像的原因。

衍射不仅取决于望远镜的大小,还取决于观察到的光的波长。对于给定的开口尺寸,波长越长,光的衍射越多。可见光的波长非常小,长度不到一米的百万分之一。但是无线电波的波长要长一千倍。如果要捕获与光学望远镜一样清晰的图像,则需要一架比光学望远镜大一千倍的射电望远镜。幸运的是,借助一种称为干涉测量的技术,我们可以制造这么大的射电望远镜。

要制造高分辨率射电望远镜,您不能简单地建造一个巨大的射电盘。您将需要一个超过10公里的菜。甚至最大的射电盘,即中国的FAST望远镜,也只有500米宽。因此,您可以构建数十个或数百个可以一起使用的较小的盘子,而不是构建一个大盘子。这有点像只使用大镜子的一部分而不是整个东西。如果使用光学望远镜进行此操作,则图像不会那么亮,但几乎会清晰。

但这并不像建造许多小天线天线那样简单。使用单个望远镜,来自远处物体的光进入望远镜,并被镜子或透镜聚焦到检测器上。同时离开物体的光会同时到达检测器,因此您的图像是同步的。当您有一系列的无线电接收器,每个接收器都有自己的探测器时,来自物体的光将比其他的更快到达某些天线探测器。如果仅合并所有数据,则将造成混乱。这就是干涉测量技术的用武之地。

阵列中的每个天线都可以观测到相同的物体,并且它们这样做时,它们各自都非常精确地标记了观测时间。这样,您就有数十或数百个数据流,每个数据流都具有唯一的时间戳。从时间戳记,您可以将所有数据恢复同步。如果您知道碟B在碟A之后仅2微秒,那么您就知道信号B必须向前移2微秒才能同步。

数学运算真的很复杂。为了使干涉测量工作,您必须知道每对天线碟之间的时间差。对于15对的5道菜。但是VLA有26盘有效菜肴或325对。ALMA提供66道菜,共2145对。不仅如此,随着地球旋转,您的物体的方向相对于天线盘也发生了变化,这意味着信号之间的时间随着您的观察而改变。您必须跟踪所有信号以便关联信号。这是通过称为相关器的专用超级计算机完成的。它是专门为执行这一计算而设计的。它是使数十个天线碟用作单个望远镜的相关器。

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