Radiointerferometria

Jo vuonna 1891 Michelson käytti ensimmäistä kertaa interferometriä tähtitieteessä. Optisella alueella interferometrin käyttö on osoittautunut vaikeaksi, mutta radioastronomiassa interferometrit ovat erittäin pitkälle kehittyneitä. Interferometrissä on vähintään kaksi yhteenkytkettyä antennia. Antennien välimatkaa D kutsutaan kannaksi. Oletetaan aluksi, että kanta on kohtisuorassa saapuvaa säteilyä vastaan. Tällöin säteily saapuu kumpaankin antenniin samanvaiheisena ja yhteenlasketussa säteilyssä havaitaan maksimi. Maapallon pyörimisen johdosta kannan ja saapuvan säteilyn välinen kulma kuitenkin muuttuu, jolloin antenneihin tulevien signaalien välille syntyy vaihe-ero. Tuloksena on sinimuotoinen interferenssikuvio, jonka minimit sattuvat silloin, kun vaihe on vastakkainen. Huippujen etäisyydet saadaan ehdosta a D = l, missä a on kannan kääntymä kulma ja l säteilyn aallonpituus. Interferometrin erotuskyky on siis sama kuin antennin, jonka läpimitta on D.

Interferometrin periaate. Jos säteily tulee radioteleskooppeihin samassa vaiheessa, nähdään yhdistetyssä säteilyssä maksimi aaltojen vahvistaessa toisiaan (tapaukset 1 ja 3). Jos tulevat aallot ovat vastakkaisessa vaiheessa, ne kumoavat toisensa (tapaus 2).

Yksityiskohtaisempaa tietoa lähteen rakenteesta saadaan, kun kantaa D muutellaan siirtämällä teleskooppeja toistensa suhteen. Näin voidaan periaatteessa havaita yhtä paljon yksityiskohtia kuin antennilla, jonka ulottuvuudet ovat samat kuin siirrettävien antennien eri asennoissaan yhteensä peittämä alue. Kahta antennia voidaan tavallisesti siirtää toisiaan vastaan kohtisuorassa suunnassa. Toinen antenni liikkuu tavallisesti itä-länsi-suunnassa, toinen pohjois-etelä-suunnassa.

Seuraavassa kuvassa on esitetty apertuurisynteesin periaate. Menetelmää on erityisesti kehittänyt Sir Martin Ryle. Jos teleskoopit sijaitsevat itä-länsisuunnassa, niiden projektio taivaalla piirtää kohteen suunnasta riippuen maapallon pyöriessä ympyrän tai ellipsin 12 tunnin aikana. Muuttelemalla antennien paikkoja saadaan erikokoisia ympyröitä tai ellipsejä. Näin voidaan jäljitellä sellaista yhtenäistä antennia, jonka läpimitta on sama kuin antennien maksimietäisyys. Kun käytetään mahdollisimman monia erilaisia perusviivoja, saadaan yksityiskohtainen kartta yksittäisen antennin keilan kattamasta alueesta. Apertuurisynteesillä voidaan siten tuottaa taivaan "radiovalokuvia".

Apertuurisynteesin periaatteen selvittämiseksi tarkastellaan itä-länsisuuntaista interferometria, jonka antennit osoittavat kohti taivaannapaa. Antennit ovat identtisiä, kunkin läpimitta on D, ja käytetty aallonpituus on l. Antennien minimietäisyys on a ja maksimietäisyys 6a. Kuvassa (a) antenneja on vain kaksi, A ja B, ja niiden välimatka on suurin mahdollinen. Maan pyöriessä antennit piirtävät 12 tunnin aikana taivaalle ympyrän, jonka halkaisija on l / 6a; tämä on paras tällä laitteistolla saavutettava erotuskyky. Kuvassa (b) mukaan on otettu kolmas antenni C, jolloin saadaan myös kannat AC ja BC. Niitä vastaavat halkaisijat taivaalla ovat l / 2a ja l 4a. Kuvassa (d) laitteistoon on lisätty vielä antenni D. Nyt kannat AD ja DC ovat samoja, joten taivaalle muodostuu vain kaksi uutta ympyrää. Lisäämällä antenneja voidaan näin täyttää yksittäisen antennin koko keila. Kuvasta (c) nähdään, että kaikkia mahdollisia antennin paikkoja ei tarvitse käyttää, koska ne eivät enää anna uutta informaatiota; oleellista on sijoittaa antennit niin, että muodostuu mahdollisimman monta erilaista kantaa.

Apertuurisynteesissä käytetään tyypillisesti yhtä kiinteää ja useaa siirrettävää antennia. Ne sijoitetaan tavallisesti itä-länsisuuntaiselle raiteelle, mutta myös T:n ja Y:n muotoisia järjestelmiä käytetään. Antennien määrästä riippuu, kuinka nopeasti synteettinen kuva voidaan muodostaa, sillä erilaisten mahdollisten perusviivojen määrä on n (n - 1 ), kun n on antennien määrä. Synteesi voidaan myös tehdä yhdellä kiinteällä ja yhdellä siirrettävällä antennilla, jonka paikkaa muutetaan aina 12 tunnin välein. Tällöin havaintoaika venyy hyvin pitkäksi, eikä kohteen signaalissa saa esiintyä vaihteluita havaintojakson aikana.

Tehokkain tällä hetkellä toimivista synteesiteleskoopeista on New Mexicossa oleva VLA, Very Large Array. Se koostuu 27:stä halkaisijaltaan 25-metrisestä siirrettävästä antennista, jotka on sijoitettu Y:n muotoiselle radalle. Kyseinen muoto on valittu siksi, että jo kahdeksassa tunnissa saadaan havaittavan alueen täydellinen radiokartta. Kukin haaroista on noin 21 kilometriä pitkä, ja laajimmassa konfiguraatiossaan koko järjestelmä vastaa antennia, jonka läpimitta on 35 km. Jos käytetään suurinta taajuutta, 23 GHz (1.3 cm), saavutetaan noin 0.1" erotuskyky, siis parempi kuin millään optisella kaukoputkella. VLA:han verrattava resoluutio saavutetaan myös englantilaisella MERLIN-järjestelmällä, jossa jo olemassa olevia antenneja on radiolinkkien avulla kytketty yhteen. Muita synteesiteleskooppeja on mm. Cambridgessa, Englannissa ja Westerborkissa, Hollannissa.

Vieläkin parempi erotuskyky voidaan saavuttaa VLBI-tekniikalla (Very Long Baseline Interferometry), jossa perusviivan pituutta rajoittaa vain maapallon koko. Menetelmässä käytetään olemassaolevia teleskooppeja, jotka voivat sijaita vaikka eri mantereilla. Eri antenneista tulevat signaalit rekisteröidään magneettinauhoille yhdessä tarkoista atomikelloista saatavien ajoitussignaalien kanssa. Lopullinen tulos saadaan vasta, kun magneettinauhojen sisältämät tiedot yhdistetään ja käsitellään. VLBI-tekniikalla saavutetaan jopa 0.0001" erotuskyky. Koska interferometriset havainnot ovat hyvin herkkiä perusviivan pituudelle, menetelmä antaa myös yhden tarkimmista keinoista maanpäällisten etäisyyksien mittaamiseen. Mannertenvälisten perusviivojen pituudet pystytään mittaamaan muutaman senttimetrin tarkkuudella. Tätä käytetään geodesiassa mannerlaattojen ja navan liikkeiden tutkimiseen.

Myös radioastronomiassa yksittäisten teleskooppien koko tuskin enää kasvaa, vaan kehitys suuntautunee yhä enemmän VLA:n tyyppisiin synteesiteleskooppeihin. 1990-luvulla on valmistunut mm. koko Pohjois-Amerikan mantereen läpi ulottuvien antennien ketju, jolla saavutetaan lähes VLBI-tekniikan luokkaa oleva erotuskyky. Australiaan on valmistunut vastaava pohjois-etelä-suuntainen ketju.

Yhä enemmän havaintoja tehdään myös millimetriä lyhyemmillä aallonpituuksilla (submillimetrialue). Aallonpituuden lyhentyessä tulee ilmakehän vesihöyry yhä häiritsevämmäksi, joten submillimetriteleskoopit on sijoitettava vuorenhuipuille kuten optisetkin teleskoopit. Riittävän pintatarkkuuden saavuttamiseksi rakenne ei ole jäykkä, vaan peili pidetään oikeassa muodossa samaan tapaan kuin uusissa suurissa optisissa kaukoputkissa. Useita tällaisia teleskooppeja on suunnitteilla.