Az ALMA és az interferometria

Az ALMA antenna hálózatának művészi elképzelése a Chajnantor-fennsíkon.

Miért említjük úgy az ALMA-t, mint egyetlen távcső, amikor a Chajnantor-fennsíkon lévő sok különböző tányérból áll? Ezek a tányérok antennák hálózatát alkotják, ahogy az Atacama Large Millimeter/submilliméter Array névben is benne van. Az ALMA fejlett tervezése lehetővé teszi, hogy a tányérok együtt dolgozzanak, mintha egyetlen távcső lenne, sokkal hatékonyabban, mint ahogy arra az egyedi tányérok képesek lennének. Valóban, ez a technikai csúcsteljesítmény nélkül, az ALMA ambiciózus céljait nem lehetne megvalósítani. Ez amiatt az alapvető korlát miatt van, ami az egyedi tányérokra vagy tükrökre vonatkozik, s amely meghatározza az elérhető élességet. Ez az elméleti korlát különösen a hosszú - mint amilyen a milliméter és szubmilliméteres - hullámhosszakon történő megfigyelésekre van hatással, pont amelyeken az ALMA üzemel.

Egy távcső felbontása (vagyis a kép részleteinek foka) függ a hullámhossztól, amin mérnek és a fő tányér vagy tükör átmérőjétől. Minél hosszabb a hullámhossz, annál rosszabb a felbontás és minél nagyobb az átmérő, annál jobb a felbontás. Következésképpen egy hosszú hullámhosszon észlelő rádió teleszkópnak rosszabb a felbontása, mint egy ugyanolyan méretű optikai vagy infra hullámhosszon észlelő teleszkópnak.

Az ESO Cerro Paranalon található optikai és infravörös Very Large Telescope távcsöveinek átmérője egyenként 8,2 m. A maximális felbontás 2 mikrométeres infravörös hullámhosszon – adaptív optika használatával – 50 milliívmásodperc (kicsivel több mint egy fok 10 milliomod része). Az ALMA tányérok 12 m átmérőjűek, közel 50%-kal nagyobbak, mint a VLT tükrei. Viszont az ALMA milliméteres nagyságrendű hullámhosszakon mér, közel 1000-szer hosszabb hullámhosszakon, mint az infravörös fény. Ez messze ellensúlyozza azt a kevés méretbeli előnyt, ami az ALMA tányérjainak van a VLT tükreivel szemben és így egyetlen ALMA antenna felbontása kb. 20 ívmásodperc lenne milliméteres hullámhosszat tekintve.

Valójában ahhoz, hogy a VLT-vel összehasonlítható felbontást érjünk el, egy ALMA tányérnak néhány km átmérőjű tükröző felszínnek kellene lennie, amely nyilvánvalóan nem valósítható meg. Ezért van az, hogy az ALMA sok egyedi antenna hálózatából áll, amelyek nagyon nagy területen vannak szétterítve és az interferometria elve alapján dolgoznak együtt.

Az ALMA korrelátornak az ALMA rendszer Vezérlőközpontjának technikai épülete ad otthont

Egy interferométer felbontása nem az egyedi tányérok átmérőjétől függ, hanem az antennák közötti maximális távolságán múlik. Az antennák távolításával növelhető a felbontása. Az antennák jelét összegyűjtik és egy speciális szuperszámítógéppel – az ALMA korrelátorral - dolgozzák fel, amellyel azt a hatást érik el, mintha a sugárzást egy távcső gyűjtötte volna. Más szóval, egy interferométer egy olyan egyedi távcsőként működik, amely akkora mint az egész hálózat.

Növelve a maximális távolságot az antennák között, az interferométer felbontása is növekszik, amely lehetővé teszi, hogy egyre finomabb részleteket mutassunk ki. A sok kilométerre fekvő antennák összekapcsolása elengedhetetlen ahhoz, hogy nagyon jó felbontású és nagy részletességű képeket kapjunk.

Az ALMA fő hálózata 50 db 12 m-es antennából áll, amelyek 150 m - 16 km közötti távolságban helyezkednek el egymástól. A hálózat így egy hatalmas távcsövet szimulál, amely nagyobb, mint amit valójában meg tudnánk építeni. Valójában az ALMA maximális felbontása jobb, mint amit a Hubble-űrteleszkóp valaha elért a látható hullámhossztartományban.

Az ALMA Atacama kompakt elrendezésének négy antennája: 3 12 méter átmérőjű és egy 7 méter átmérőjű.

.

Négy 12 m-es és tizenkettő 7 m-es antenna képezi az Atacama Kompakt Elrendezést (Compact Array). A kisebb 7 m-es antennák egymáshoz sokkal közelebb helyezhetők el anélkül, hogy összeütköznének és ez a kompakt elrendezés lehetővé teszi, hogy a megfigyelt csillagászati objektumok szélesebb struktúráját vagy “nagy képét” lássuk. Ezenkívül, az Atacama Kompakt Elrendezés négy 12 m-es antennája külön is használható, hogy a megfigyel objektumok abszolút fényességét megmérjék. Ez egy olyan mennyiség, ami interferometriával nem mérhető.

A teleszkóp különböző konfigurációi lehetővé teszik, hogy a csillagászok megvizsgálják mind a csillagászati forrás szélesebb struktúráját, mind az apróbb részleteket. Viszont a kompakt és a széles konfiguráció közötti váltáshoz szükséges az antennák fizikai mozgatására. Ezt a munkát két erre a célra épített hordozó végzi, amiket arra terveztek, hogy felemelje az antennákat, amelyek mintegy 100 tonnát nyomnak, és a sivatagon keresztül kilométerekkel arrébb vigye, egy beton dokkoló egységhez helyezze milliméteres pontossággal.

Az interferometria technikájának hála, az ALMA számos antennája összehangoltan dolgozik, és lehetővé teszi a csillagászok számára, hogy olyan megfigyeléseket végezzenek, ami egyetlen tányérral nem lenne lehetséges. Ezért nem csak úgy gondolhatunk az ALMA-ra, mint sok antenna együttese, hanem mint egyetlen forradalmi teleszkóp.

További olvasnivaló:

További technikai részletek az ALMA-ról, mint interferométerről a “Hogyan készít az ALMA képeket?” cikkben található, az ALMA Newsletter 5. számában.