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Forum: HF, Funk und Felder Wie funktioniert ein Radioteleskop?


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
Autor: Uhu U. (uhu)
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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?

Autor: Radioteleskop (Gast)
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Indem man einen Ausschnitt des Himmels als Raster abtastet.

Autor: Radioteleskop (Gast)
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Wie nimmt eine Kamera ein Bild auf?
Mit vielen im Raster angeordneten Empfängern.

Autor: Max M. (maxim0)
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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.

Autor: ● J-A V. (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector) Benutzerseite
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das wird aber auch ein Hype...

Autor: Max M. (maxim0)
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zurecht. Gibt ein Nobelpreis.

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Autor: Sven B. (scummos)
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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.

Autor: Uhu U. (uhu)
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Autor: Timmo H. (masterfx)
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Dazu kann man sich auch gut den TED Talk von Katie Bouman (sie hat 
maßgeblich am Algorithmus für das Event Horizon Telescope mitgewirkt)
Youtube-Video "How to take a picture of a black hole | Katie Bouman"

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Fischer (Gast)
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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

Autor: Sven B. (scummos)
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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 ...

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Mach (Gast)
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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?

Autor: Timmo H. (masterfx)
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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 
Youtube-Video "How to take a picture of a black hole | Katie Bouman"
Ebenso wurde es bei Veritasium gut erklärt Youtube-Video "First Image of a Black Hole!"

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: 
Youtube-Video "First ever image of SUPER-MASSIVE black hole –how big is it?"

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. (Youtube-Video "A Ground-Based Telescope Better Than Hubble? | Video")

Dieses Selbstbau Radioteleskop zeigt ganz gut wie das im Prinzip 
funktioniert. Es ist quasi ein Scanner: 
Youtube-Video "How to Build a Radio Telescope (See Satellites 35,000km Away!)"

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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Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Timmo H. (masterfx)
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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.

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Johann L. (gjlayde) Benutzerseite
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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?

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Sven B. (scummos)
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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.

Autor: Alex G. (dragongamer)
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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.

Autor: Timmo H. (masterfx)
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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

: Bearbeitet durch User
Autor: Wolfgang (Gast)
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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")
Youtube-Video "How to take a picture of a black hole | Katie Bouman"

Autor: Joggel E. (jetztnicht)
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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.

: Bearbeitet durch User
Autor: Timmo H. (masterfx)
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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.

Autor: Joggel E. (jetztnicht)
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> 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.

: Bearbeitet durch User
Autor: Timmo H. (masterfx)
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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
Youtube-Video "Katie Bouman “Imaging a Black Hole with the Event Horizon Telescope”"

Autor: Sven B. (scummos)
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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.

Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: Johann L. (gjlayde) Benutzerseite
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