Ett teleskop stort som jorden

Den senaste versionen av Event horizon telescope, EHT, består av tio olika radioteleskop som står på olika kontintenter. När alla tio riktas mot samma objekt går det att se saker på himlen som ingen tidigare har sett.

– Med den upplösning man får skulle man i princip kunna stå i Europa och läsa en tidning i New York, säger astronomen Michael Lindqvist på Onsala rymdobservatorium vid Chalmers tekniska högskola.

Han har bidragit till EHT genom observationer med teleskopet Apex som finns i Atacamaöknen i norra Chile.

Den berömda första bilden av ett svart hål som presenterades 2019 var den första stora bedriften med data från EHT. Mätningarna fortsätter och vidgar gränserna för vad som går att se i universum.

Efter förseningar på grund av pandemin riktades EHT under våren återigen mot samma supermassiva hål i galaxen M87, och mot det svarta hålet i Sagittarius A* i Vintergatans mitt.

Bilderna av de svarta hålen och deras omgivningar ska hjälpa forskarna att förstå hur material ansamlas och hettas upp kring ett svart hål. I framtiden hoppas forskarna bland annat att på film kunna visa hur det svarta hålets omgivningar utvecklar sig över tid.

Radioastronomi gör det möjligt att upptäcka helt andra fenomen än de som syns med andra metoder. Pulsarer, radioblixtar (se F&F 4/2021), den typ av extrema galaxer som kallas radiostarka kvasarer, och universums bakgrundsstrålning är bara några exempel. Radiovågor kan också tränga igenom damm och stoft, och avslöja objekt som annars är dolda.

Samtidigt finns det stora utmaningar med att fånga upp radiovågor. En av dem är att upplösningen i ett teleskop delvis beror på storleken på teleskopet.

– Det är samma sak med en vanlig kikare. Vad du har för upplösning beror på diametern på kikaren, säger Michael Lindqvist.

Men upplösningen beror också på våglängden på den strålning som teleskopet fångar in. Ju längre vågor desto större teleskop behövs. För att få samma upplösning i en halvmeter långa radiovågor som det mänskliga ögat har i de synliga våglängderna, omkring 500 nanometer, behövs ett teleskop med en diameter på en kilometer. Det kan jämföras med att det största enskilda radioteleskopet i världen, kinesiska Fast, är femhundra meter i diameter. (Hela diametern används dock inte för en och samma observation, eftersom en del av reflektorskålen väljs ut för att rikta observationen åt önskat håll.)

För att kunna urskilja riktigt små objekt krävs alltså korta våglängder eller ett stort teleskop. För att komma runt den här begränsningen började forskare att koppla ihop två teleskop. Nästan alla radioteleskop används numera tillsammans på det viset, berättar astronomen Tobia Carozzi, som också arbetar vid Chalmers och Onsala rymdobservatorium.

– Radioteleskopen trivs inte med att vara singlar. De blir så mycket bättre parvis, säger Tobia Carozzi.

Större nätverk kan sedan byggas upp av flera par av teleskop. Alma i den chilenska Atacamaöknen består till exempel av 66 tallriksformade antenner, utspridda inom en diameter på 16 kilometer, och har bland annat gett banbrytande bilder av planetsystem i färd med att bildas. I ökenområden i Sydafrika och Australien byggs just nu ännu större nätverk av radioantenner som ska ingå i Square kilometre array, SKA (se F&F 4/2017). En sak som SKA och andra radioteleskopprojekt siktar på är att kunna urskilja strålningen från den period då de allra första stjärnorna tändes.

Tekniken kallas interferometri och tricket som utnyttjas när två teleskop kopplas ihop är interferens – effekten att vågor förstärker varandra när topparna sammanfaller, eller tar ut varandra när en vågtopp sammanfaller med en vågdal.

Vår hörsel använder ett liknande knep.

– Hjärnan kan göra en form av interferometri med ljud, säger Tobia Carozzi.

Han förklarar att det ena örat uppfattar ljudet lite före det andra, och det här läggs ihop i hjärnan på ett sätt som avslöjar från vilket håll ljudet kommer. Vi behöver inte veta hur ljudvågorna fungerar, signalen behandlas automatiskt.

Radiointerferometri har också jämförts med änder som simmar i en damm. Runt varje and breder svallvågor ut sig och läggs ihop med varandra på sin väg mot land. Radiointerferometri fungerar ungefär som om en grupp personer sitter med förbundna ögon runt dammens kant, och ska försöka lista ut var änderna är och hur många de är, bara genom att känna hur vattnet rör sig upp och ned vid just deras del av stranden. En persons mätningar säger inte så mycket, men genom att samla in och jämföra alla mätningar från personerna runt dammen kan de börja räkna ut hur vågmönstrets ursprung såg ut, ute på det öppna vattnet.

På liknande sätt kombineras radiovågor som fångas upp av två antenner. För att veta exakt när varje del av vågen anländer är de teleskopantenner som ingår i mätningen försedda med atomklockor. Att lägga ihop signalerna ställer stora krav på signalbehandling och datahantering. Ju fler antennpar som är inblandade, desto mer krävande blir hanteringen.

För att skapa en bild behövs många mätningar som kombineras med hjälp av en speciell matematisk metod. Det är inte bara avståndet mellan teleskopen som avgör resultatet. Med fler teleskop och därmed fler mätpunkter går det att fånga in mer av strålningen, och då blir bilden bättre.

Radiointerferometrin har knappast nått sin yttersta gräns med den nuvarande versionen av EHT. Det finns många idéer om hur nästa generation kan se ut, med fler antenner och högre bandbredd, och möjlighet att använda kortare våglängder. En annan idé är att lägga till teleskop utanför jorden, för att få ett ännu större, effektivt teleskop. Någon utvidgning av EHT i rymden är dock inte planerad ännu.

Radiointerferometri mellan teleskop på jorden och en satellit i rymden har prövats flera gånger, senast med den ryska satelliten Spektr-R som var i bruk 2011–2019. Något nytt skulle kunna vara satelliter som samarbetar med varandra.

– Vi skulle kunna ha friflygande formationer av satelliter, säger Jan Bergman vid Institutet för rymdfysik i Uppsala.

Han var med och tog fram ett förslag redan 2010, som dock inte lyckades få några anslag – tekniken var inte mogen. Men nu är läget ett annat, och tillsammans med andra forskare söker han nu pengar till en förstudie. Kanske blir det första steget att testa formationsflygning med drönare.

Med en svärm av satellitburna radioteleskop skulle forskare kunna skapa en tredimensionell bild av himlen.

– Med en tredimensionell bild kan man filtrera bort de riktningar där man har störningskällor. Det är helt nödvändigt för att lyckas upptäcka den extremt svaga radiostrålningen från tiden då universum var ogenomskinligt och de första stjärnorna tändes, säger Jan Bergman.

Utvecklingen kommer att ta tid, och först kommer jordbaserade radioteleskop att ge många nya upptäckter. Det svarta hålet i mitten av vår egen galax är svårare att avbilda än det i galaxen M87, eftersom det ligger dolt bakom stoft. Vintergatans svarta hål är dessutom mindre, med en dynamisk omgivning som förändras även inom loppet av en natts observationer. Det gör att forskarna inte kan använda sina vanliga tekniker för att kombinera flera mätningar. Om forskarna bakom EHT kan komma förbi dessa utmaningar kanske de kan ge oss bilder också av vad som pågår i centrum av vår egen Vintergata.