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離れた位置にある電波望遠鏡のデータを合わせると、その距離と同じ半径の大きな望...

bru********さん

2019/4/1206:41:48

離れた位置にある電波望遠鏡のデータを合わせると、その距離と同じ半径の大きな望遠鏡で観測したことと同じになる(VLBI)というのが理解できません。
なぜ望遠鏡同士を離して観測すると一つの

仮想的な望遠鏡となるのですか?

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oot********さん

2019/4/1208:28:45

解像度(結像面における詳細さ)はF値で決まります。光(電波も同じ以下同様)が波の性質を持つため、レンズ(反射鏡含む以下同様)で光を1点に集めたとき、レンズから来る光が同じ位相で重なり合う状態になっています【ここ重要】。より急な角度で重なる方が、そして、光の波長が短いほどより小さく光を集中させることができます。F値と光の波長の2つの要素だけで光を集中させられる実際の寸法が決まってしまいます。

理論的にF値はアプラナート(球面収差とコマ収差を補正したもの)では0.5より小さくすることができず、現実的にはF値を下げるほど収差も増えるのでソコソコのF値に留めておく必要があります。デジタルカメラも最近画素数が上がっていませんが、すでに画素数を増やしても解像度が上がらなくなっているため。
可視光(波長550nm前後の電磁波)において、カメラレンズの最高解像度が出せるF値の状態では、光はせいぜい10μm弱程度までしか収束させることができず、そこから推定される必要充分な画素数は2000万~3000万画素です。ですから、将来仮に一兆画素のカメラが登場しても、今とほとんど差の無い解像度の画像しか得られません。

結像面における解像度に限界があるので、遠方の2つのものを確実に分離するには、焦点距離を長くして拡大率を上げなければなりません。
それなりのF値のまま焦点距離を長くすると、有効径が大きくなります。
すなわち、分解能(観察する物体をどこまで詳しく見られるか)は、有効径が大きいほど優れることになります。

これが、天文台が大きな口径の望遠鏡を欲しがる理由です。
現在の技術で作れる最大口径は工学的に1枚鏡の光学望遠鏡で口径10メートルぐらい、電波望遠鏡でも100メートルぐらいが限界で、単体の望遠鏡でそれ以上の分解能を出すには工学技術の発展と予算が付くのを待つしかありません。

では、現状の器材でどうにか分解能を稼ぐにはどうすればいいか?

理論上、レンズの端と端の距離を大きく離した状態で、それらの光を何らかの方法で相互干渉させることができれば、その距離相当の口径の分解能が得られます。そこで、複数の望遠鏡を連携させる技法が考案されます。

数多くの電波望遠鏡を並べて相互干渉させる電波望遠鏡アレイ、2台の望遠鏡で得られた光を光ファイバーを通して位相調整を行って干渉させるケック10メートル望遠鏡といったものも作られたり、電波の波形を原子時計が刻む時刻と同時に記録して、そのデータをもとにコンピュータ内で電波干渉する様子をシミュレーションして超高解像の画像を得るVLBIという技法が考案されることになります。

VLBIでは最終的にそれぞれの望遠鏡で得られた電波の波形を、同じ位相で干渉させなければならないので、観測に使う望遠鏡の位置は、観測する電波の波長の数分の1以下の精度で決定しなければならず、非常に高度な技術が要求されます。
地球規模の電波望遠鏡アレイでは、プレート移動や地球の自転速度の微妙な変動の影響で簡単に位置が変わってしまうので、GPSで数十cmオーダーで位置を決めたあとに、既知の電波天体を観測してさらに位置精度を上げてから観測を始めます。
単純に「地球規模で広がる複数の電波望遠鏡を連動させた」という話ではないのです。

  • 質問者

    bru********さん

    2019/4/1322:45:55

    どうして、
    「レンズの端と端の距離を大きく離した状態で、それらの光を何らかの方法で相互干渉させることができれば、その距離相当の口径の分解能が得られる」のですか?

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