Das Bild vom Schwarzen Loch, aufgenommen mit einem Netz von Radioteleskopen, sieht man derzeit überall. Aber wie entsteht aus dem eindimensionalen Signal ein zweidimensionales Bild?
Wie nimmt eine Kamera ein Bild auf? Mit vielen im Raster angeordneten Empfängern.
Das EHT ist ein weltweiter Zusammenschluss von Radioteleskopen die über die ganze Erde verteilt sind. Je besser die Auflösung, desto schärfer das Bild. Interferometrie: zwei Teleskope, beobachten dasselbe. Man steckt die elektromagnetischen Wellen die sie auffangen in einen Computer. Dort lässt man die Wellen “interferieren”, An einigen Stellen werden sie sich auslöschen, an anderen verstärken. Das ergibt ein komplexes Muster. Es verändert sich, je nach dem wie weit die beiden Teleskope voneinander entfernt sind. Aus den Mustern kann man schärferes Bild am Computer errechnen. Die Daten , müssen zusammengeführt und ausgewertet werden. Das dauert lange weils nur bei sehr gutem Wetter funktioniert und das muss gleichzeitig überall sein, auch am Südpol und Grönland. Weil der Pölarwinter 6 Monate dauert, musste man warten, bevor man die Daten ausfliegen konnte - auf einer Batterie von Festplatten, denn das Internet ist zu langsam. Dann muss noch das alles im Rechner auf allen Frequenzen zeitgenau synchronisiert werden. Mit Supercomputer. Da mussten Menschen aus der ganzen Welt zusammenarbeiten und die Ergebnisse wurden gleichzeitig auf der ganzen Welt an alle Menschen verkündet.
das wird aber auch ein Hype...
Radioteleskop schrieb: > Indem man einen Ausschnitt des Himmels als Raster abtastet. In diesem Fall nicht, nein. Das ist ein Interferometer, bei dem das Bild aus der Phasenlage der einzelnen Signale berechnet wird. Kurz (aber schwer verständlich) formuliert beobachtet jedes Antennenpaar bestimmte Komponenten der Fouriertransformierten des Bildes.
Hier ist es recht gut erklärt: https://www.heise.de/newsticker/meldung/Event-Horizon-Telescope-Was-der-erste-direkte-Nachweis-eines-Schwarzen-Lochs-bedeutet-4374768.html
Dazu kann man sich auch gut den TED Talk von Katie Bouman (sie hat maßgeblich am Algorithmus für das Event Horizon Telescope mitgewirkt) https://www.youtube.com/watch?v=BIvezCVcsYs
Radioteleskop schrieb: > Wie nimmt eine Kamera ein Bild auf? > Mit vielen im Raster angeordneten Empfängern. Der Unterschied zu einer Kamera ist, dass bei einer Kamera eine Abbildungsoptik davor sitzt, die ein Bild vom Objekt auf dem Sensorchip erzeugt. Bei einem Radiotelesop-Arry stellen die Einzelteleskope kleine Aussschnitte (Punkte) der "Linse" dar. Die "Abbildung" und Bilderzeugung findet im Rechner statt. Das Bild ist die Fouriertransformierte des von den Einzeltelekopen erfassten Signale. Bei einem normalen optischen Teleskop ist das genauso. Deshalb geht der Teleskopdurchmesser (bzw. Abstand der Radioteleskope) direkt in das Auflösungsvermögen ein.
Hallo Total OT aber: "Da mussten Menschen aus der ganzen Welt zusammenarbeiten und die Ergebnisse wurden gleichzeitig auf der ganzen Welt an alle Menschen verkündet." Wissenschaftler und dort besonders Astronomen und Grundlagenphysiker können und machen das, sogar der Heimatstaaten arbeiten da wirklich zusammen. Und so muss es auch sein. Warum nur nicht in anderen, im Alltag deutlich wichtigeren Bereichen... :-( Wobei diese Forschung und Erkenntnisse schon sehr wichtig sind und noch so manche für den Menschen als Menschen Erkenntnisse und neue Fragen bringen wird... Fischer
Wolfgang schrieb: > Bei einem Radiotelesop-Arry stellen die Einzelteleskope kleine > Aussschnitte (Punkte) der "Linse" dar. Die "Abbildung" und Bilderzeugung > findet im Rechner statt. Das Bild ist die Fouriertransformierte des von > den Einzeltelekopen erfassten Signale. > Bei einem normalen optischen Teleskop ist das genauso. Deshalb geht der > Teleskopdurchmesser (bzw. Abstand der Radioteleskope) direkt in das > Auflösungsvermögen ein. Hm, was heißt jetzt hier genau so? Bei einem normalen optischen Teleskop ist das insofern anders, als dass es halt eine Abbildungsoptik hat, nämlich einen Parabolspiegel ...
Sven B. schrieb: > Hm, was heißt jetzt hier genau so? Alles was beim abbildenden Einzelteleskop in der Spiegel-/Linsenhauptebene liegt, landet fouriertransformiert in der Brennebene. Das Bild eines Sternes ist (idealerweise) die Fouriertransformierte der Teleskopöffnung. Bei Radioteleskop findet die "Abbildung"/Transformation eben im Rechner statt, was Datenaufzeichnung mit sauberen Timestamps voraus setzt.
Uhu U. schrieb: > Hier ist es recht gut erklärt: > https://www.heise.de/newsticker/meldung/Event-Horizon-Telescope-Was-der-erste-direkte-Nachweis-eines-Schwarzen-Lochs-bedeutet-4374768.html Gar nichts ist da zum Verfahren der Datenaufnahme und Bildentstehung mit den Radioteleskopen erklärt.
Heißt das ein einzelnes Teleskop visiert einen vorbestimmten Punkt im Universum an? Und alle Teleskope werden so ausgerichtet, dass der relevante Bereich entsteht? Ich frag mich ja, wie das schwarze Loch überhaupt gefnden wird, das ist ja winzig. Oder scannen die Teleskope den Himmel ab und durch Überlagerung aller Bilder wird dann die Auflösung aufgebohrt? Was mich halt stutzig macht sind die Petabyte an Daten, die dann ein verpixeltes VGA-Bild ergeben. Wahrscheinlich ist das aber nur ein winziger Ausschnitt aus dem ganzen Bild?
Mach schrieb: > Oder scannen die Teleskope den Himmel ab und durch Überlagerung aller > Bilder wird dann die Auflösung aufgebohrt? Ja so etwa funktioniert das. Siehst du auch hier in der Animation https://youtu.be/BIvezCVcsYs?t=341 Ebenso wurde es bei Veritasium gut erklärt https://youtu.be/S_GVbuddri8 Im Gegensatz zum optischen Teleskop hast du nicht pro Teleskop einen CMOS/CCD Sensor mit n Pixeln sondern nur "ein Pixel". Also zu Zeitpunkt t_0 hast du an der Position in die du guckst eine Amplitude/Spektrum ("Farbe"). Bewegst du das Teleskop bzw. den Empfänger des Teleskops nicht, sorgt die Erdrotation dafür dass du den Himmel abscannst. Wenn du das mit mehreren Teleskopen machst und die Daten synchronisierst, erhöht man die Winkelauflösung, als wenn du ein Größeres Teleskop hättest. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass es lückenfrei ist, denn die Lückenfreiheit erhöht zwar deine Empfindlichkeit ("Lichtstärke"), jedoch nicht die Auflösung. Sehr gut auch hier erklärt: https://youtu.be/dbgBlQVfpPk?t=148 Das wird auch bei optischen Teleskopen gemacht, jedoch muss es bei Licht mit beweglichen Spiegeln gemacht werden (wie beim VLT), weil das Licht eine zu hohe Frequenz (quasi Datenrate) hat um wie beim EHT auf Festplatten aufgezeichnet zu werden und im Nachhinein verrechnet zu werden. (https://youtu.be/oyHS3DJRqH0?t=343) Dieses Selbstbau Radioteleskop zeigt ganz gut wie das im Prinzip funktioniert. Es ist quasi ein Scanner: https://www.youtube.com/watch?v=aeah3fFYlnA Mach schrieb: > Wahrscheinlich ist das aber nur ein > winziger Ausschnitt aus dem ganzen Bild? Das Schwarze Loch bzw. der Schatten ist nur ~40 Mikrobogensekunden groß. Das entspricht etwa einer Orange auf dem Mond die du von der Erde sehen könntest. Und nein, das Bild ist nicht "gecroppt". Wenn alle Teleskope nur auf diesen "Punkt" gucken und das verrechnet gibt es eben genau nur diesen Bildausschnitt.
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Mach schrieb: > Heißt das ein einzelnes Teleskop visiert einen vorbestimmten Punkt im > Universum an? Und alle Teleskope werden so ausgerichtet, dass der > relevante Bereich entsteht? Nein, alle Radioteleskope visieren den selben Punkt im Universum an - das Zentrum der Galaxie M87. Ein einzelnes Radioteleksop mit einem Durchmesser von 30m hat bei der verwendeten Wellenlänge von 1.3mm einen Öffnungwinkel von vielleicht 0,2 Bogenminuten. Die Galaxie sehen wir unter einem Durchmesser von etwa 9 Bogenminuten. Mit einem einzelnen Radioteleskop von 30m Durchmesser würde man also gerade ein Bild der Gesamtgalaxie mit 44x33 Pixeln bekommen - weit, weit von dem entfernt, was man braucht, um das Schwarze Loch abzubilden. Timmo H. schrieb: > Im Gegensatz zum optischen Teleskop hast du nicht pro Teleskop einen > CMOS/CCD Sensor mit n Pixeln sondern nur "ein Pixel". Das gilt für ein einzelnes Radioteleskop. Bei der Verwendung im Array stellt jede einzelne Antenne ein kleines Teilelement eines riesigen Telekops mit Erddurchmesser dar.
Wolfgang schrieb: > Das gilt für ein einzelnes Radioteleskop. Bei der Verwendung im Array > stellt jede einzelne Antenne ein kleines Teilelement eines riesigen > Telekops mit Erddurchmesser dar. Sagte ich doch Timmo H. schrieb: > Bewegst du das Teleskop bzw. den Empfänger des Teleskops nicht, sorgt > die Erdrotation dafür dass du den Himmel abscannst. Wenn du das mit > mehreren Teleskopen machst und die Daten synchronisierst, erhöht man die > Winkelauflösung, als wenn du ein Größeres Teleskop hättest.
Timmo H. schrieb: > Timmo H. schrieb: >> Bewegst du das Teleskop bzw. den Empfänger des Teleskops nicht, sorgt ... Da schmeißt du zwei Dinge durcheinander. Bei einem feststehenden Einzelteleskopen (z.B. Arecibo Observatory oder beim FAST) sorgt die Erddrehung dafür, das der 1-Pixel-Empfänger den Himmel abscannt. Bei VLBI stellen die Einzelteleskope nicht die Bildpixel dar. Das Bild entsteht erst durch Fouriertransformation. Die Drehung der Erde sorgt hier dafür, dass die Verbindunglinien der Teleskope den Orts-/Winkelfrequenzraum besser abdecken.
Wolfgang schrieb: > Ein einzelnes Radioteleksop mit einem Durchmesser von 30m hat bei der > verwendeten Wellenlänge von 1.3mm einen Öffnungwinkel von vielleicht 0,2 > Bogenminuten. > Die Galaxie sehen wir unter einem Durchmesser von etwa 9 Bogenminuten. > Mit einem einzelnen Radioteleskop von 30m Durchmesser würde man also > gerade ein Bild der Gesamtgalaxie mit 44x33 Pixeln bekommen - weit, weit > von dem entfernt, was man braucht, um das Schwarze Loch abzubilden. Das bedeutet doch auch, dass man M87* nicht exakt anpeilen kann wie hier erklärt? Timmo H. schrieb: > Das Schwarze Loch bzw. der Schatten ist nur ~40 Mikrobogensekunden groß. > Das entspricht etwa einer Orange auf dem Mond die du von der Erde sehen > könntest. Und nein, das Bild ist nicht "gecroppt". Wenn alle Teleskope > nur auf diesen "Punkt" gucken und das verrechnet gibt es eben genau nur > diesen Bildausschnitt. Der Öffnungswinkel der Teleskope ist doch deutlich größer als 40 µas, d.h. die gesammelte Information muss dann doch einen viel größeren Bereich abdecken?
Johann L. schrieb: > Das bedeutet doch auch, dass man M87* nicht exakt anpeilen kann wie hier > erklärt? Was meinst du mit anpeilen? Natürlich muss jedes Einzelteleskop des Arrays auf M87* ausgerichtet werden, damit es von dort die Radiowellen empfangen kann.
Johann L. schrieb: > Timmo H. schrieb: >> Das Schwarze Loch bzw. der Schatten ist nur ~40 Mikrobogensekunden groß. >> Das entspricht etwa einer Orange auf dem Mond die du von der Erde sehen >> könntest. Und nein, das Bild ist nicht "gecroppt". Wenn alle Teleskope >> nur auf diesen "Punkt" gucken und das verrechnet gibt es eben genau nur >> diesen Bildausschnitt. > > Der Öffnungswinkel der Teleskope ist doch deutlich größer als 40 µas, > d.h. die gesammelte Information muss dann doch einen viel größeren > Bereich abdecken? Müsste m.E. so sein, ja. Naturgemäß kann man dann auch ein relativ großes Bild synthetisieren, wenn man die Rohdaten alle aufgezeichnet hat. Teleskope mit ungerichteten Einzelantennen wie LOFAR können ja prinzipiell auch den kompletten Himmel gleichzeitig beobachten.
Man hat wohl auch das Ziel ein recht großes Bild zu synthetisieren. Es hies ja die Daten werden Wissenschaftler noch Jahre auswerten. M87* ist nur eines der interessantesten Bereiche.
Johann L. schrieb: > Der Öffnungswinkel der Teleskope ist doch deutlich größer als 40 µas, > d.h. die gesammelte Information muss dann doch einen viel größeren > Bereich abdecken? Richtig. Darum schaltet man ja auch mehrere Teleskope zusammen und macht dann Beamforming/Interferometrie. Je weiter die Radioteleskope auseinander sind umso größer wird die effektive Apertur. Nehmen wir mal die einfachste Konstellation. Drei Radio-Teleskope am Äquator. Eins in der Mitte die anderen beiden jeweils im Osten und eins im Westen. Alle gucken in die gleiche Richtung und zeichnen ihre Daten auf. Die Daten werden dann gesammelt und dann erstmal so korrigiert dass sie alle synchron sind (die Teleskope werden quasi auf die gleiche zum beobachteten Objekt gebracht). Das vorderste Teleskop bekommt die Radiosignale früher da es ~6300 km näher dran ist. Diese Verzögerung von 21 ms rechnet man dann erstmal raus. Und dann werden die Signale im primitivsten Fall einfach um x ns gegeneinander verschoben. Also z.B. die Signale von Teleskop_Osten um 1*x ns, Teleskop_Mitte 0*x ns und Teleskop_Westen -1*x ns. Dann guckt man entsprechend ein paar Bogensekunden weiter nach Westen. Und dass eben tausende Male und dann addiert man das ganze. Dadurch erhält man nach vielen Verschiebungen ein 1-Dimensionales Bild dessen einzelne Pixel jeweils nur wenige (µ)Bogensekunden entsprechen. Nimmt man dann noch Teleskope am Nord- und Südpol dazu kann noch zusätzlich vertikales Beamforming machen und erhält dann ein zweidimensionales Bild. Und genau das wurde gemacht. Das ganze wird heutzutage natürlich etwas komplexer gemacht über 2D-Fourier Transformation etc. Der Grundgedanke ist aber in etwa der gleiche. https://www.astron.nl/astrowiki/lib/exe/fetch.php?media=ra_uva:ra_uva_lecture6.pdf https://www.astron.nl/astrowiki/lib/exe/fetch.php?media=ra_uva:ra_uva_lecture8.pdf https://www.astron.nl/astrowiki/lib/exe/fetch.php?media=ra_uva:ra_uva_lecture10.pdf
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Alex G. schrieb: > Man hat wohl auch das Ziel ein recht großes Bild zu synthetisieren. Es > hies ja die Daten werden Wissenschaftler noch Jahre auswerten. M87* ist > nur eines der interessantesten Bereiche. Nein, die Einzelantennen sind genau auf M87* ausgerichtet und es geht einzig darum, dieses Objekt mit seiner nächsten Umgebung (wenige Scharzschild-Radien) abzubilden. Die Datenmenge ergibt sich, weil die Teleskope die Erdscheibe (Projektion von M87 aus) nur sehr lückenhaft bedecken und man die Zeit (=Geometrieänderung durch Erddrehung) hinzu nimmt, um den Orts-/Winkelfrequenzraum besser abzudecken. Erst wenn man dieses 2D-Spektrum mit ausreichendem Signal-/Rauschverhältnis (=länger Signalaufzeichnungsdauer) zusammen hat, geht es an die Transformation zum Bild mit seiner hohen Winkelauflösung. Aufzeichnungsdauer und Abtastrate führen dann auf die Datenmenge. In Wirklichkeit ist der Weg zum Bild noch deutlich komplexer. Hier erklärt Katie Bouman in einem kurzen Vortrag die Technik ("How to take a picture of a black hole") https://youtu.be/BIvezCVcsYs
Ein einzelnes Pixel des Bildes ergibt sich durch phasenrichtige Ueberlagerung der Signale aller Teleskope. Dafuer sollte man die exakte Position aller Teleskope haben. Hat man aber nicht. Allenfalls auf ein paar Meter genau. Bei 10 GHz hat der Meter 30 Perioden. Der Mond kann einen Kontinent um 60cm heben, wie die Gezeiten. Das muesste man auch noch beruecksichtigen. Und waehrend der Messung dreht sich die Erde auch noch um 0.25 Bogenminuten/s um die eigene Achse und bewegt sich mit 300km/s auf der eigenen Bahn. Moeglicherweise gibt es noch weitere Effekte, je nach Beobachtungsdauer. Das Aufsummieren ist also nicht ganz trivial. Zusaetzlich zur Messtechnik. Das phasenrichtige Aufnehmen der Signale zu einem gemeinsamen Clock. Eine GPS gelockte Uhr ist ja mittlerweile Standard bei allen Interessierten Bastlern. Diese hat eine Allenvarianz von vielleicht 10^-12. Bei zB 10GHz wird das dann anspruchsvoll. Da sind's dann nur noch 10^-2. Wie mach ich einen verteilten Phasenlock mit besser als 10^-2 Radianten? Mit welcher Speichertiefe konnte man die Signal aufnehmen ? Ich hab grad gelesen, die Frequenz war 230 GHz, also nochmals 23 Mal kuerzer. Bedeutet, neben der Position, welche man ungenau hat, hat man die Phase auch ungenau, und muss auch die fitten.
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Zitronen F. schrieb: > Bei 10 GHz hat der Meter 30 Perioden. Der Mond kann > einen Kontinent um 60cm heben, wie die Gezeiten. Das muesste man auch > noch beruecksichtigen. Gemessen wurden Millimeter-Wellenlängen (230 GHz und 86 GHz) Die Feinjustierung wird dann durch den Korrelator übernommen. Zitronen F. schrieb: > Diese hat eine Allenvarianz > von vielleicht 10^-12. Bei zB 10GHz wird das dann anspruchsvoll. Da > sind's dann nur noch 10^-2. Wie mach ich einen verteilten Phasenlock mit > besser als 10^-2 Radianten? Auf jeden Fall hat jedes Teleskop eine hochpräzise Atomuhr.
> Auf jeden Fall hat jedes Teleskop eine hochpräzise Atomuhr.
Damit laufen sie aber noch nicht synchron... Das laufen sie eigentlich
sowieso nicht, denn schon mit einer Cs Uhr kann man die Hoehe ueber Meer
auf 10cm genau messen. Resp sie kann 10cm Hoehendifferenz auswerten.
Das ist aber zum Glueck eine statische Sache, abgesehen vom
Mondueberflug.
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Zitronen F. schrieb: >> Auf jeden Fall hat jedes Teleskop eine hochpräzise Atomuhr. > > Damit laufen sie aber noch nicht synchron... Das laufen sie eigentlich > sowieso nicht, denn schon mit einer Cs Uhr kann man die Hoehe ueber Meer > auf 10cm genau messen. Resp sie kann 10cm Hoehendifferenz auswerten. Wie gesagt, dafür ist der Korrelator da. Da kommen auch noch Phasendifferenzen und Amplitudenfehler durch die Atmosphäre dazu. Zudem ist jedes Telekop aus dem Verbund auch noch unterschiedlich. Das muss alles ausgeglichen werden Hier ist übrigens am Freitag noch ein interessanter Vortrag von Katie Bouman erschienen der etwas mehr ins Detail geht https://www.youtube.com/watch?v=UGL_OL3OrCE
Synchronisiert werden die Uhren über GPS. Die genaue Phasenlage kann man bei einem Breitband-Signal raten, wenn man sich die Amplitude der Kreuzkorrelation anschaut, die hat beim richtigen Versatz einen Peak.
Zitronen F. schrieb: > Und waehrend der Messung dreht sich die Erde auch noch um 0.25 > Bogenminuten/s um die eigene Achse und bewegt sich mit 300km/s auf der > eigenen Bahn. Da übertreibst du einen Faktor 10. Das Jahr hat 365 Tage, nicht 36,5.
Inzwischen hab ich ein paar ganz gute Videos zum Einstieg gefunden (gut bezüglich des Inhalts, nicht die Audioqualität) https://www.youtube.com/watch?v=0TwnZhiEc3A https://www.youtube.com/watch?v=mRUZ9eckHZg
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