En kraftfull ny uppsättning radioteleskop sätts ut för första gången denna vecka, eftersom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile ansluter sig till ett globalt nätverk av antenner som är redo att göra några av de bilder med högsta upplösning som astronomer någonsin har fått. Den förbättrade detaljnivån motsvarar att kunna räkna stygnen på en baseboll från 8, 000 mil bort.

Forskare vid MIT och andra institutioner använder en metod som kallas VLBI (Very Long Baseline Interferometry) för att länka en grupp radioteleskop spridda över hela världen till vad som är, i själva verket, ett teleskop lika stort som vår planet. Även om tekniken för VLBI inte är ny, forskare har nyligen börjat utöka den till millimetervåglängder för att uppnå en ytterligare ökning av upplösningsförmågan. Och nu, tillägget av ALMA till globala VLBI-arrayer ger ett aldrig tidigare skådat språng i VLBI-kapacitet.

Inkluderingen av ALMA möjliggjordes nyligen genom ALMA Phasing Project (APP), en internationell insats ledd av MIT Haystack Observatory i Westford, Massachusetts, och chefsutredaren Sheperd Doeleman, nu vid Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics.

Innan detta projekt, ALMA-rätterna arbetade med varandra för att göra observationer som en enda uppsättning; nu, APP har uppnått synkronisering, eller "fasning, " på upp till 61 ALMA-antenner för att fungera som en singel, mycket känslig radioantenn — de flesta antenner som någonsin fasats ihop. För att uppnå detta, APP-teamet utvecklade anpassad programvara och installerade flera nya hårdvarukomponenter på ALMA, inklusive en vätemaser (en typ av ultraprecis atomklocka), en uppsättning mycket snabba dataomformaterare, och ett fiberoptiskt system för att transportera en dataström på 8 gigabyte per sekund till fyra ultrasnabba datainspelare (den Haystack-designade Mark6). Kulmen på dessa ansträngningar är en ökning i storleksordning av känsligheten hos världens millimeter VLBI-nätverk, och ett dramatiskt lyft i deras förmåga att skapa detaljerade bilder av källor som tidigare framstod som bara ljuspunkter.

"Väldigt många människor har arbetat mycket hårt under de senaste åren för att förverkliga denna dröm, " säger Geoff Crew, mjukvaruledning för APP. "ALMA VLBI kommer verkligen att vara transformerande för vår vetenskap."

Ett av målen med dessa nya tekniska innovationer är att avbilda ett svart hål. Den här månaden, två internationella organisationer gör observationer som gör det möjligt för forskare att konstruera en sådan bild för allra första gången. Och porträttet de försöker fånga är nära hemmet:Skytten A* (Sgr A*), det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan.

Så mycket data kommer att samlas in under de två observationsperioderna att det går snabbare att flyga dem till Haystack än att överföra dem elektroniskt. Petabyte med data kommer att flygas från teleskop runt om i världen till Haystack för korrelation och bearbetning innan bilder av det svarta hålet kan skapas. Korrelation, som registrerar data från alla deltagande teleskop för att ta hänsyn till de olika ankomsttiderna för radiovågorna på varje plats, görs med hjälp av en specialiserad bank av kraftfulla datorer. MIT Haystack är en av få radiovetenskapliga anläggningar världen över med nödvändig teknik och expertis för att korrelera denna mängd data. Ytterligare korrelation för dessa sessioner görs vid Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland.

Två observationstillfällen äger rum. GMVA-sessionen (Global mm-VLBI Array) kommer att observera en mängd olika källor vid en våglängd på 3 millimeter, inklusive Sgr A* och andra aktiva galaktiska kärnor, och EHT (Event Horizon Telescope) session kommer att observera Sgr A* såväl som det supermassiva svarta hålet i mitten av en närliggande galax, M87, vid en våglängd av 1,3 millimeter. EHT-teamet inkluderar forskare från MIT:s Haystack Observatory och MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), arbetar med Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics och många andra organisationer.

"Flera faktorer gör 1,3 mm till den idealiska observationsvåglängden för Sgr A*, " enligt APP Project Scientist Vincent Fish. "Vid längre observation av våglängder, källan skulle suddas ut av fria elektroner mellan oss och det galaktiska centrumet, och vi skulle inte ha tillräckligt med upplösning för att se den förutspådda svarta hålsskuggan. Vid kortare våglängder, jordens atmosfär absorberar det mesta av signalen."

De aktuella observationerna är de första i en serie banbrytande studier inom VLBI och radiointerferometri som kommer att möjliggöra dramatiska nya vetenskapliga upptäckter. Data från den nyligen fasade ALMA-matrisen kommer också att möjliggöra bättre avbildning av andra avlägsna radiokällor via förbättrad datasampling, ökad vinkelupplösning, och så småningom spektrallinje VLBI—observationer av emissioner från specifika grundämnen och molekyler.

"Phasing ALMA har öppnat helt nya möjligheter för ultrahögupplöst vetenskap som kommer att gå långt utöver studiet av svarta hål, " säger Lynn Matthews, uppdragsforskare för APP. "Till exempel, we expect to be able to make movies of the gas motions around stars that are still in the process of forming and map the outflows that occur from dying stars, both at a level of detail that has never been possible before."

The black hole images from the data gathered this month will take months to prepare; researchers expect to publish the first results in 2018.

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.