Апертурний синтез
Апертурний синтез — тип інтерферометрії, який змішує сигнали від набору телескопів для створення зображень із такою ж кутовою роздільною здатністю, що й інструмент розміром із увесь набір[1][2][3]. Для кожної відстані та орієнтації діаграма спрямованості інтерферометра дає вихідний сигнал, який є одним із компонентів перетворення Фур’є просторового розподілу яскравості спостережуваного об’єкта. З цих вимірювань створюється зображення (або «карта») джерела. Астрономічні інтерферометри зазвичай використовуються для оптичних, інфрачервоних, субміліметрових і радіоастрономічних спостережень високої роздільної здатності. Наприклад, проєкт Телескоп горизонту подій за допомогою апертурного синтезу отримав перше зображення чорної діри[4].
Апертурний синтез можливий лише за умови вимірювання як амплітуди, так і фази вхідного сигналу кожним телескопом. Для радіочастот це можливо за допомогою електроніки, тоді як для оптичних частот електромагнітне поле не можна вимірювати миттєво й корелювати програмно, тому світловий сигнал треба передавати в незмінному вигляді для проведення інтерференції. Потрібна точна корекція на час затримки оптичного сигналу та на атмосферну аберацію хвильового фронту, — дуже складна технологія, яка стала можливою лише в 1990-х роках. Тому отримання зображень із апертурним синтезом успішно використовувалось в радіоастрономії ще з 1950-х років, а в оптичній та інфрачервоній астрономії — лише з початку XX століття.
Щоб створити високоякісне зображення, потрібна велика кількість різних відстаней між телескопами (відстань між двома телескопами, спроєктована на площину, перпендикулярну до напрямку на радіоджерело, називається базовою лінією) — потрібно якомога більше різних базових ліній. Кількість базових ліній (nb) для масиву з n телескопів визначається як nb = nC2 = (n2 − n)/2. Наприклад, Дуже великий масив складається з 27 телескопів, які одночасно дають 351 незалежну базову лінію, що дозволяє їм отримувати зображення високої якості.
На відміну від радіоінтерферометрів, найбільші оптичні інтерферометри наразі мають лише 6 телескопів, що дає гіршу якість зображення, бо базових ліній між телескопами всього 15.
Більшість інтерферометрів апертурного синтезу використовують обертання Землі для збільшення кількості базових ліній у спостереженні без необхідності купувати додаткові телескопи чи переміщувати телескопи вручну, оскільки обертання Землі змінює базові лінії між телескопами.
Використання обертання Землі було детально розглянуто в статті 1950 року «Попередній огляд радіозір у північній півкулі» (A preliminary survey of the radio stars in the Northern Hemisphere)[5]. Деякі інструменти використовують штучне обертання решітки інтерферометра замість обертання Землі, наприклад, інтерферометрія з маскуванням апертури[en].
Концепція апертурного синтезу була вперше сформульована в 1946 році австралійськими радіоастрономами Рубі Пейн-Скотт і Джозефом Позі. Працюючи з Дувр-Гайтс[en] у Сіднеї, Пейн-Скотт виконала перші інтерферометричні спостереження в історії радіоастрономії 26 січня 1946 року, використовуючи радіотелескопом радар австралійської армії[6].
Технологію отримання радіозображень за допомогою апертурного синтезу розробили Мартін Райл та його колегами з радіоастрономічної групи Кембриджського університету. Мартін Райл і Ентоні Г'юіш за цей та інші свої внески у радіоастрономію були нагороджені Нобелівською премією з фізики.
Кембриджська радіоастрономічна група в 1950-х роках заснувала Маллардівську радіоастрономічну обсерваторію поблизу Кембриджа. Наприкінці 1960-х і на початку 1970-х років комп'ютери (такі як Титан[en]) стали спроможні обробляти обернені перетворення Фур'є. Тоді група використала апертурний синтез, щоб отримати апертури в 1 милю та 5 км відповідно за допомогою Одномильного телескопа і Телескопа Райла.
Згодом ця техніка була вдосконалена до інтерферометрії з дуже довгою базою для отримання базових ліній в тисячі кілометрів. Термін «апертурний синтез» також може стосуватися типу радіолокаційної системи, відомої як радар із синтезованою апертурою, але ця технологія технічно не пов'язаня з радіоастрономічним методом і розроблена незалежно.
Спочатку вважалося необхідним проводити вимірювання практично на кожній довжині базової лінії: таке повне дискретизоване перетворення Фур'є формально містить інформацію, точно еквівалентну зображенню зі звичайного телескопа з діаметром апертури, рівним максимальній базовій лінії, звідси й походить назва апертурного синтезу.
Швидко було виявлено, що в багатьох випадках корисні зображення можуть бути створені з відносно рідким і нерегулярним набором базових ліній, особливо за допомогою нелінійних алгоритмів деконволюції, таких як метод максимальної ентропії[en]. Зараз акцент все сильніше зміщується зі спроби синтезувати повну апертуру (що дозволяє реконструювати зображення за допомогою перетворення Фур'є) на спробу синтезувати зображення з будь-яких доступних даних, використовуючи потужні, але обчислювально дорогі алгоритми.
- ↑ R. C. Jennison (1958). A Phase Sensitive Interferometer Technique for the Measurement of the Fourier Transforms of Spatial Brightness Distributions of Small Angular Extent. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 119: 276—284. Bibcode:1958MNRAS.118..276J. doi:10.1093/mnras/118.3.276.
- ↑ Bernard F. Burke; Francis Graham-Smith (2010). An Introduction to Radio Astronomy. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-87808-1.
- ↑ John D. Krauss (1966). Chapter 6: Radio-Telescope Antennas. Radio Astronomy. New York, NY: McGraw Hill.
- ↑ The Event Horizon Telescope Collaboration (10 квітня 2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation. The Astrophysical Journal Letters. 87: L2. arXiv:1906.11239. Bibcode:2019ApJ...875L...2E. doi:10.3847/2041-8213/ab0c96.
- ↑ A preliminary survey of the radio stars in the Northern Hemisphere
- ↑ National Radio Astronomy Observatory. www.nrao.edu. Процитовано 2 листопада 2022.
- Development of radio interferometry, from Astronomical Optical Interferometry, A Literature Review by Bob Tubbs, Cambridge, 2002
- Cambridge Optical Aperture Synthesis Telescope
- APerture SYNthesis SIMulator (an interactive tool to learn the concepts of Aperture Synthesis)