I april 2019, ett internationellt team på mer än 300 forskare presenterade de första inspelade bilderna av ett svart hål, dess mörka skugga och livfulla orange skiva blickar tillbaka över 55 miljoner ljusår av rymden. Att fånga bilder från så långt borta krävde den kombinerade kraften hos åtta radioteleskop över fyra kontinenter, arbetar tillsammans för att i huvudsak bilda ett massivt teleskop i jordstorlek som kallas Event Horizon Telescope (EHT).

Tekniken som driver EHT-avbildning används också av forskare vid NASA och över hela världen för att mäta jorden. Mycket lång baslinjeinterferometri, eller VLBI, är en teknik som kombinerar vågformer inspelade av två eller flera radioteleskop. Detta mångsidiga verktyg används inte bara inom astronomi, men också geodesi:Vetenskapen om att mäta jordens storlek, form, rotation och orientering i rymden.

Geodesi låter oss se kartor på våra telefoner, mäta havsvatten, planera raketuppskjutningar, kalibrera klockor, förutse jordbävningar, spåra tsunamier och upprätthålla satellitbanor. Som ett geodetiskt verktyg, VLBI hjälper forskare att exakt mäta avstånd och topografi och spåra förändringar av jordens yta och rotation över tid. Forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och MIT:s Haystack Observatory i Westford, Massachusetts, banade väg för den geodetiska användningen av VLBI på 1960-talet.

I dag, NASA, MIT Haystack och andra partners samarbetar för att förbättra och utöka geodetiska stationer runt om i världen som en del av NASA:s Space Geodesy Project (SGP). MIT Haystack fungerar som navet för hård- och mjukvaruutveckling som gynnar både astronomi och geodesi, samarbetar med National Science Foundation för att stödja EHT och med NASA för att stärka SGP. Tillsammans, att synergi bidrog direkt till att förverkliga bilden av det svarta hålet samtidigt som man arbetade mot mindre, snabbare radioteleskop, mer automatisering och tillgång till flera geodetiska verktyg på samma plats, möjliggör mer exakta kartor, diagram, flygvägar och banor än någonsin tidigare.

VLBI:Allt om den baslinjen

Radioteleskop mäter radiovågor. Dessa vågor är svagare och svagare än synligt ljus, men de penetrerar interstellärt damm och gaser och störningar från jordens egen atmosfär på sätt som synligt ljus inte kan. De ger också astronomer information om rymden som inte finns i det synliga spektrumet.

Att titta på radiovågor kräver stora, känsliga teleskop. En VLBI-array har förstorande kraft, eller "vinkelupplösning, " motsvarar ett enda teleskop med en skål lika bred som den längsta baslinjen mellan två teleskop i arrayen. (T.ex. EHT:s mest avlägsna teleskop var åtskilda av mer än 7, 000 mil, lika med ett enda teleskop mer än dubbelt så brett som USA.) Varje teleskop i EHT-gruppen fångade radiovågorna som sänds ut av det svarta hålet från en unik vinkel, beroende på deras plats på jorden. Att lägga till alla dessa observationer tillsammans med en kraftfull dator gav de slutliga bilderna.

På 1960-talet forskare vid NASA Goddard och MIT Haystack insåg att denna lilla skillnad i perspektiv var en värdefull informationskälla – inte bara om rymden, utan om jorden.

"Grundprincipen för geodetisk VLBI är att radiovågor som kommer in från en avlägsen källa träffar en station före den andra, sade Stephen Merkowitz, chef för NASA:s Space Geodesy Project. "Vi använder kvasarer, som är mycket avlägsna aktiva galaxer, så långt bort att de är fasta punkter på himlen. Vi mäter tidsfördröjningen mellan det att signalen träffar dessa två punkter, och konvertera till ett avstånd med ljusets hastighet."

Jordens rotation gör att tidsfördröjningen mellan kvasarsignalerna som observeras av VLBI-stationerna ändras, gör det möjligt för forskare att exakt mäta rotationens hastighet. De kan också använda dessa data för att mäta platsen och avståndet mellan VLBI-stationerna, och genom att upprepa dessa mätningar över tiden, kan observera även små, långsamma förändringar på jordens yta, som kontinentaldrift.

VLBI:s kanske viktigaste funktion är att hjälpa till att bygga de internationella terrestra och himmelska referensramarna. Den jordiska referensramen tilldelar koordinater till platser på jorden, inklusive dess centrum, tillhandahålla en konsekvent ram för att relatera mätningar till varandra.

"Anta att du har ett uppdrag som mäter havsnivån i Mexikanska golfen och har en tidvattenmätare utanför Louisianas kust som också tar havsnivåmätningar, och du vill knyta ihop dessa så att du har lite sanning till rymdobservationerna, ", sa Merkowitz. "Om de inte är i samma referensram, det kan du inte göra. Om din ram inte är exakt och stabil, som kommer att introducera alla typer av fel i den slipsen. Så, en bra referensram låter dig koppla ihop olika datamängder genom geolokalisering."

Den himmelska referensramen tjänar ett liknande syfte, men istället för att skapa ett stabilt ramverk för jordens platser, det skapar ett ramverk för att lokalisera astronomiska objekt. Forskare använder jordorienteringsparametrar - tidsmätningar, orientering och rotation – för att länka samman de två ramarna. Detta skapar ett totalt system för att geolokalisera objekt i rymden och på jorden.

Ett exempel på en vardaglig teknik som är beroende av dessa referensramar är Global Positioning System, eller GPS. GPS förlitar sig på en konstellation av satelliter som ständigt sänder sina platser och tider till GPS-aktiverade enheter på marken, från mobiltelefoner till jordbruksutrustning. Satelliterna i konstellationen förlitar sig på den terrestriska referensramen och jordorienteringsparametrarna för att förmedla sin plats, så att hålla dessa ramverk exakta och korrekta är viktigt för dagliga aktiviteter runt om i världen.

Mängder som vi ibland tar för givna, som längden på jordens dag och hur snabbt den roterar, är faktiskt inte konstanta, sa Merkowitz. "De är beroende av många olika saker som väder, stora massrörelser som El Niño eller La Niña, och rörelser av stora mängder vatten, " han förklarade.

Kartlägga en kurs för geodesins framtid

Med jorden som ständigt förändras, geodesi håller kartor korrekta, flygplan och fartyg på kurs och satellitmätningar exakta. Faktiskt, VLBI och andra verktyg är avgörande för jordobserverande satelliter som ICESat-2 och instrument som GEDI, som båda använder laserpulser för att mäta strukturerna hos inlandsisar och skogar. Utan att veta exakt var rymdfarkosten befinner sig ovanför jordens yta, forskare skulle inte kunna göra den här typen av precisionsmätningar.

"När du gör precisionsbestämning av omloppsbana för något som ICESat-2, det kräver referensramen som indata, ", sa Merkowitz. "ICESat-2 är mycket känslig för fel, så om beräkningen av jordens centrum är avstängd, det leder till ett fel i de vetenskapliga mätningarna. Precisionsuppdrag i omloppsbana och uppdrag som mäter höjder är särskilt beroende av ramverket."

Under 2007, National Academy of Sciences rapporterade att landets geodesiinfrastruktur åldrades för snabbt för att hålla jämna steg med de växande kraven på data. Så NASA lanserade Space Geodesy Project för att utveckla och distribuera nästa generation av geodetiska stationer, som inkluderar VLBI såväl som andra tekniker som använder lasrar för att exakt spåra satelliter (kallad satellitlaseravståndsbestämning, eller SLR).

De nya VLBI-stationerna kommer att kunna sampla över ett brett spektrum av frekvenser istället för bara två, ger dem mer flexibilitet att fortsätta samla in data om det finns störningar från Wi-Fi eller andra signaler. Deras mindre storlek och snabbare rörelse gör dem mer anpassningsbara till atmosfäriska förhållanden, men för att kompensera för de mindre rätterna (kom ihåg, med radioteleskop, större är bättre), de kommer att sampla data mycket snabbare. Så småningom, Merkowitz sa, systemen kommer att kunna samla in data 24 timmar om dygnet utan mänsklig övervakning för att ge mycket snabbare mätningar.

National Academy of Sciences och andra internationella geodetiska föreningar rekommenderar att, för de bästa vetenskapliga resultaten, det uppdaterade Space Geodesy Network ska vara exakt inom en millimeter, eller ungefär tjockleken på ett ID-kort. Det ska också vara stabilt inom en tiondels millimeter – bredden på ett människohår. Denna precision är avgörande för att mäta havsnivåer, som ökar med cirka 3,4 millimeter, eller 0,13 tum, per år, sa Merkowitz.

Projektet är i sin första fas:att ersätta NASA:s inhemska geodetiska stationer med nästa generations system. NASA installerade nyligen sin tredje inhemska VLBI-station i Texas; dess nästa generations VLBI-stationer i Hawaii och Maryland är redan i drift och tar rutinmässigt mätningar.

NASA arbetar också med internationella partners för att hjälpa till att överföra det internationella VLBI-nätverket till nästa generations teknologi, sa Merkowitz. "Internationellt samarbete är avgörande för framgången för rymdgeodesin. Att mäta globala effekter kräver ett globalt nätverk, och NASA kan inte göra detta ensam."

Nästa generations nätverk kommer att stödja mer exakt GPS, allt mer exakta referensramar och bättre stöd för de många sätt vi använder kartor i dagens värld. Med hjälp av VLBI, teamet kommer att hjälpa oss att veta var vi är – och vart vi är på väg – med ännu mer noggrannhet i framtiden.