TBIRD, laserowy system komunikacji opracowany przez Lincoln Laboratory, przesyła dane z niespotykaną dotąd szybkością, umożliwiając naukowcom uchwycenie nieuchwytnych czarnych dziur foton pierścienie.
Sieć Teleskopu Horyzontu Zdarzeń wykonała przełomowe zdjęcia a czarna dziura w latach 2019 i 2021. Plany usprawnienia tych obserwacji obejmują umieszczenie teleskopów w przestrzeni kosmicznej i wykorzystanie zaawansowanej technologii komunikacji laserowej firmy MITLaboratorium Lincolna. Umożliwi to szczegółowe testowanie teorii grawitacji poprzez obrazowanie czarnych dziur w wysokiej rozdzielczości.
Pierwszy obraz czarnej dziury
W kwietniu 2019 roku astronomowie z całego świata przeszli do historii, wykonując pierwszy w historii obraz czarnej dziury – grawitacyjnego olbrzyma tak potężnego, że nawet światło nie jest w stanie uciec przed jego przyciąganiem. To przełomowe zdjęcie ujawniło świecący gaz otaczający supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki Messier 87 (M87). Dwa lata później, w marcu 2021 roku, ten sam zespół opublikował kolejne niezwykłe zdjęcie przedstawiające spolaryzowane światło w pobliżu czarnej dziury, dając pierwszy przebłysk jej pola magnetycznego.
Instrumentem stojącym za tymi oszałamiającymi zdjęciami jest Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT), globalna sieć radioteleskopów, które współpracują, tworząc wirtualne obserwatorium wielkości Ziemi. Łącząc dane z teleskopów na całym świecie, EHT może stworzyć niezwykle szczegółowe obrazy odległych czarnych dziur. Teraz naukowcy planują rozszerzyć EHT w przestrzeń kosmiczną, aby uzyskać jeszcze ostrzejsze obrazy czarnej dziury M87. Jednakże przesłanie na Ziemię ogromnych ilości danych zebranych przez teleskopy kosmiczne stanowi poważne wyzwanie techniczne. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z MIT Lincoln Laboratory opracowali najnowocześniejszy system komunikacji laserowej (lasercom) zdolny do przesyłania danych z niezwykle dużymi prędkościami wymaganymi w tej ambitnej misji.
Źródło: Teleskop Horyzontu Zdarzeń; Postępy nauki, tom. 6, nie. 12
Rozszerzanie technik obrazowania w przestrzeń kosmiczną
EHT stworzył dwa istniejące obrazy czarnej dziury M87 za pomocą interferometrii, a konkretnie interferometrii o bardzo długiej linii bazowej. Interferometria polega na zbieraniu światła w postaci fal radiowych jednocześnie przez wiele teleskopów w różnych miejscach na kuli ziemskiej, a następnie porównywaniu różnicy faz fal radiowych w różnych miejscach w celu określenia kierunku źródła. Dokonując pomiarów za pomocą różnych kombinacji teleskopów na całej planecie, zespół EHT, w którym uczestniczyli pracownicy Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) i Obserwatorium MIT Haystack — zasadniczo stworzyły teleskop wielkości Ziemi, aby sfotografować niewiarygodnie słabą czarną dziurę oddaloną o 55 milionów lat świetlnych od Ziemi.
W przypadku interferometrii im większy teleskop, tym lepsza rozdzielczość obrazu. Dlatego, aby skupić się na jeszcze dokładniejszych cechach tych czarnych dziur, potrzebny jest większy instrument. Szczegóły, które astronomowie mają nadzieję rozwiązać, obejmują turbulencje gazu opadającego na czarną dziurę (która powoduje gromadzenie się materii na czarnej dziurze w procesie zwanym akrecją) oraz cień czarnej dziury (który można wykorzystać do ustalenia, gdzie znajduje się strumień wychodzący z M87 czerpie energię). Ostatecznym celem jest obserwacja pierścienia fotonowego (miejsca, w którym światło krąży najbliżej przed ucieczką) wokół czarnej dziury. Uchwycenie obrazu pierścienia fotonowego umożliwiłoby naukowcom przetestowanie ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.
Zalety obserwatoriów kosmicznych
W przypadku teleskopów naziemnych najdalej, jak mogą być od siebie dwa teleskopy, znajdują się po przeciwnych stronach Ziemi, czyli około 13 000 kilometrów od siebie. Oprócz tej maksymalnej odległości bazowej, instrumenty ziemskie są ograniczone przez atmosferę, co utrudnia obserwację krótszych fal. Ograniczenia atmosferyczne Ziemi można przezwyciężyć poprzez wydłużenie linii bazowych EHT i umieszczenie co najmniej jednego z teleskopów w przestrzeni kosmicznej, co jest dokładnie tym, co zaproponowano w projekcie kierowanym przez CfA Eksplorator czarnych dziur (BHEX) misja ma na celu zrobić.
Jednym z najważniejszych wyzwań związanych z tą koncepcją kosmiczną jest przesyłanie informacji. Zbiór danych potrzebny do stworzenia pierwszego obrazu EHT był tak ogromny (w sumie 4 petabajty), że trzeba było je zapisać na dyskach i przesłać do zakładu w celu przetworzenia. Zebranie informacji z teleskopu na orbicie byłoby jeszcze trudniejsze; zespół potrzebowałby systemu, który byłby w stanie przesłać dane z teleskopu kosmicznego na Ziemię z szybkością około 100 gigabitów na sekundę (Gb/s), aby uchwycić pożądane aspekty czarnej dziury.
Przełomy w technologiach przesyłania danych
I tu wkracza Lincoln Laboratory. W maju 2023 r. laboratoryjny ładunek lasercom TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) osiągnął najszybszy transfer danych z kosmosu, transmitując z szybkością 200 Gb/s — czyli 1000 razy szybciej niż typowe systemy komunikacji satelitarnej — z niska orbita okołoziemska (LEO).
„Opracowaliśmy nowatorską technologię transportu dużych ilości danych z kosmosu na Ziemię” – mówi Jade Wang, zastępca kierownika laboratoryjnej grupy ds. komunikacji optycznej i kwantowej. „W procesie opracowywania tej technologii szukaliśmy możliwości współpracy i innych potencjalnych misji uzupełniających, które mogłyby wykorzystać te bezprecedensowe możliwości w zakresie danych. BHEX jest jedną z takich misji. Tak duże szybkości przesyłania danych umożliwią naukowcom po raz pierwszy zobrazowanie struktury pierścieni fotonowych czarnej dziury.”
Zespół lasercom kierowany przez Wanga we współpracy z CfA opracowuje długodystansowe łącze w dół o dużej przepustowości potrzebne do misji BHEX na orbicie środkowej Ziemi (MEO).
Perspektywy na przyszłość i rozwój technologii
„Komunikacja laserowa całkowicie wywraca do góry nogami nasze oczekiwania co do możliwości odkryć astrofizycznych z kosmosu” – mówi astrofizyk CfA Michael Johnson, główny badacz misji BHEX. „W następnej dekadzie ta niesamowita nowa technologia doprowadzi nas do krawędzi czarnej dziury, tworząc okno na region, w którym załamuje się nasze obecne rozumienie fizyki”.
Chociaż TBIRD jest niezwykle potężny, technologia wymaga pewnych modyfikacji, aby obsługiwać wyższą orbitę wymaganą przez BHEX do swojej misji naukowej. Mały ładunek TBIRD (CubeSat) zostanie zmodernizowany do większego rozmiaru apertury i wyższej mocy nadawania. Ponadto protokół automatycznego żądania TBIRD — mechanizm kontroli błędów gwarantujący, że dane dotrą na Ziemię bez strat spowodowanych czynnikami atmosferycznymi — zostanie dostosowany w celu uwzględnienia dłuższego czasu podróży w obie strony związanego z misją w MEO. Wreszcie architektura „buforowania i serii” TBIRD LEO do dostarczania danych zostanie zmieniona na podejście strumieniowe.
„Dzięki TBIRD i innym misjom laserowym pokazaliśmy, że technologia lasercom dla tak wpływowej misji naukowej jest już dostępna” – mówi Wang. „Możliwość wniesienia wkładu w obszar naprawdę interesujących odkryć naukowych to ekscytująca perspektywa”.
Referencje:
„Komunikacja laserowa o dużej przepływności dla badacza czarnych dziur” autorstwa Jade Wang, Bryana Bilyeu, Dona Borosona, Dave’a Caplana, Kat Riesing, Bryana Robinsona, Curta Schielera, Michaela D. Johnsona, Lindy Blackburn, Kari Haworth, Janice Houston, Sara Issaoun , Daniel Palumbo, Elliot Richards, Ranjani Srinivasan, Jonathan Weintroub i Dan Marrone, 13 czerwca 2024, Astrofizyka > Oprzyrządowanie i metody dla astrofizyki.
arXiv:2406.09572
„The Black Hole Explorer: Motywacja i wizja” Michaela D. Johnsona, Kazunoriego Akiyamy, Rebecci Baturin, Bryana Bilyeu, Lindy Blackburn, Dona Borosona, Alejandro Cardenas-Avendano, Andrew Chaela, Chi-kwan Chana, Dominica Changa, Petera Cheimetsa, Cathy Chou, Sheperd S. Doeleman, Joseph Farah, Peter Galison, Ronald Gamble, Charles F. Gammie, Zachary Gelles, Jose L. Gomez, Samuel E. Gralla, Paul Grimes, Leonid I. Gurvits, Shahar Hadar, Kari Haworth, Kazuhiro Hada, Michael H. Hecht, Mareki Honma, Janice Houston, Ben Hudson, Sara Issaoun, On Jia, Svetlana Jorstad, Jens Kauffmann, Yuri Y. Kovalev, Peter Kurczyński, Robert Lafon, Alexandru Lupsasca, Robert Lehmensiek, Chung-Pei Ma, Daniel P. Marrone, Alan P. Marscher, Gary J. Melnick, Ramesh Narayan, Kotaro Niinuma, Scott C. Noble, Eric J. Palmer, Daniel CM Palumbo, Lenny Paritsky, Eliad Peretz, Dominic Pesce, Alexander Plavin, Eliot Quataert, Hannah Rana, Angelo Ricarte, Freek Roelofs, Katia Shtyrkova, Laura C. Sinclair, Jeffrey Small, Sridharan Tirupati Kumara, Ranjani Srinivasan, Andrew Strominger, Paul Tiede, Edward Tong, Jade Wang, Jonathan Weintroub, Maciek Wielgus, George Wong i Xinyue Alice Zhang, 13 czerwca 2024 r., Astrofizyka > Oprzyrządowanie i metody dla astrofizyki.
arXiv:2406.12917
Koncepcja misji BHEX jest opracowywana od 2019 r. Badania techniczne i koncepcyjne BHEX zostały wsparte przez Smithsonian Astrophysical Observatory, wewnętrzny program badawczo-rozwojowy pod adresem NASA Goddard Space Flight Center, Uniwersytet w Arizonie oraz ULVAC-Hayashi Seed Fund z programu MIT-Japan w ramach MIT International Science and Technology Initiatives. Badania BHEX dotyczące lasercom były wspierane przez Freda Ehrsama i Fundację Gordona i Betty Moore.
