In april 2019, een internationaal team van meer dan 300 wetenschappers onthulde de eerste opgenomen beelden van een zwart gat, zijn donkere schaduw en levendig oranje schijf turen terug over 55 miljoen lichtjaar ruimte. Het vastleggen van beelden van zo ver weg vereiste de gecombineerde kracht van acht radiotelescopen over vier continenten, samenwerken om in wezen een enorme telescoop ter grootte van de aarde te vormen, de Event Horizon Telescope (EHT).

De technologie die EHT-beeldvorming mogelijk maakt, wordt ook gebruikt door wetenschappers bij NASA en wereldwijd om de aarde te meten. Zeer lange baseline interferometrie, of VLBI, is een techniek die golfvormen combineert die zijn opgenomen door twee of meer radiotelescopen. Deze veelzijdige tool wordt niet alleen gebruikt in de astronomie, maar ook geodesie:de wetenschap van het meten van de grootte van de aarde, vorm, rotatie en oriëntatie in de ruimte.

Geodesie laat ons kaarten zien op onze telefoons, oceaangetijden meten, raketlanceringen plannen, klokken kalibreren, aardbevingen voorspellen, tsunami's volgen en satellietbanen behouden. Als geodetisch hulpmiddel, VLBI helpt wetenschappers om afstanden en topografie nauwkeurig te meten en veranderingen in het aardoppervlak en de rotatie in de loop van de tijd te volgen. Wetenschappers van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en MIT's Haystack Observatory in Westford, Massachusetts, pionier in het geodetische gebruik van VLBI in de jaren zestig.

Vandaag, nasa, MIT Haystack en andere partners werken samen om geodetische stations over de hele wereld te verbeteren en uit te breiden als onderdeel van NASA's Space Geodesy Project (SGP). MIT Haystack fungeert als de hub voor hardware- en softwareontwikkeling die zowel astronomie als geodesie ten goede komt, samen te werken met de National Science Foundation om de EHT te ondersteunen en met NASA om de SGP te stimuleren. Samen, die synergie droeg direct bij aan het realiseren van het beeld van het zwarte gat en werkte tegelijkertijd naar kleinere, snellere radiotelescopen, meer automatisering en toegang tot meerdere geodetische tools op dezelfde plek, nauwkeurigere kaarten mogelijk maken, grafieken, vliegroutes en banen dan ooit tevoren.

VLBI:alles over die basislijn

Radiotelescopen meten radiogolven. Deze golven zijn zwakker en zwakker dan zichtbaar licht, maar ze dringen door interstellair stof en gassen en interferentie van de eigen atmosfeer van de aarde op manieren die zichtbaar licht niet kan. Ze geven astronomen ook informatie over ruimte die niet bestaat in het zichtbare spectrum.

Het bekijken van radiogolven vereist grote, gevoelige telescopen. Een VLBI-array heeft vergrotingskracht, of "hoekresolutie, " equivalent aan een enkele telescoop met een schotel zo breed als de langste basislijn tussen twee telescopen in de array. (Bijvoorbeeld, de verste telescopen van de EHT stonden op meer dan 7 afstanden van elkaar, 000 mijl, gelijk aan een enkele telescoop die meer dan twee keer zo breed is als de Verenigde Staten.) Elke telescoop in de EHT-array ving de radiogolven op die door het zwarte gat worden uitgezonden vanuit een unieke hoek, afhankelijk van hun locatie op aarde. Het toevoegen van al deze waarnemingen samen met een krachtige computer leverde de uiteindelijke beelden op.

In de jaren 1960, wetenschappers van NASA Goddard en MIT Haystack realiseerden zich dat dit kleine verschil in perspectief een waardevolle bron van informatie was - niet alleen over ruimte, maar over de aarde.

"Het basisprincipe van geodetische VLBI is dat radiogolven die van een verre bron komen, het ene station voor het andere raken, " zei Stephen Merkowitz, manager van NASA's Space Geodesy Project. "We gebruiken quasars, die zeer verre actieve sterrenstelsels zijn, zo ver weg dat het vaste punten aan de hemel zijn. We meten de tijdsvertraging tussen het moment waarop het signaal die twee punten raakt, en converteren naar een afstand met behulp van de snelheid van het licht."

Door de rotatie van de aarde verandert de tijdsvertraging tussen de quasarsignalen die door de VLBI-stations worden waargenomen, waardoor wetenschappers de snelheid van de rotatie nauwkeurig kunnen meten. Ze kunnen deze gegevens ook gebruiken om de locatie en afstand tussen de VLBI-stations te meten, en door deze metingen in de tijd te herhalen, kan zelfs kleine, langzame veranderingen aan het aardoppervlak, zoals continentale drift.

Misschien is de belangrijkste functie van VLBI het helpen bouwen van de internationale terrestrische en hemelse referentieframes. Het terrestrische referentieframe wijst coördinaten toe aan locaties op aarde, inclusief het centrum, een consistent kader bieden om metingen aan elkaar te relateren.

"Stel dat je een missie hebt die de zeespiegel in de Golf van Mexico meet en een getijdenmeter hebt voor de kust van Louisiana die ook zeespiegelmetingen doet, en je wilt die aan elkaar koppelen, zodat je wat grondwaarheid hebt voor de ruimtewaarnemingen, "Zei Merkowitz. "Als ze niet in hetzelfde referentiekader zitten, dat kan je niet. Als uw frame niet precies en stabiel is, dat zal allerlei fouten in die band introduceren. Dus, een goed referentiekader stelt je in staat om verschillende datasets met elkaar te verbinden via geolocatie."

Het hemelse referentieframe heeft een soortgelijk doel, maar in plaats van een stabiel kader te creëren voor locaties op aarde, het creëert een raamwerk voor het lokaliseren van astronomische objecten. Wetenschappers gebruiken Earth Orientation Parameters - metingen van tijd, oriëntatie en rotatie—om de twee frames aan elkaar te koppelen. Zo ontstaat een totaalsysteem om objecten in de ruimte en op aarde te geolokaliseren.

Een voorbeeld van een alledaagse technologie die afhankelijk is van deze referentieframes is het Global Positioning System, of GPS. GPS vertrouwt op een constellatie van satellieten die constant hun locaties en tijden uitzenden naar GPS-apparaten op de grond, van mobiele telefoons tot landbouwmachines. De satellieten in de constellatie vertrouwen op het Terrestrial Reference Frame en de Earth Orientation Parameters om hun locatie door te geven, dus het nauwkeurig en nauwkeurig houden van die kaders is essentieel voor dagelijkse activiteiten over de hele wereld.

Hoeveelheden die we soms als vanzelfsprekend beschouwen, zoals de lengte van de dag van de aarde en hoe snel het roteert, zijn eigenlijk niet constant, aldus Merkowitz. "Ze zijn afhankelijk van veel verschillende dingen, zoals het weer, grote massabewegingen zoals El Niño of La Niña, en bewegingen van grote hoeveelheden water, " hij legde uit.

Een koers uitstippelen voor de toekomst van geodesie

Terwijl de aarde voortdurend verandert, geodesie houdt kaarten nauwkeurig, vliegtuigen en schepen op koers en satellietmetingen nauwkeurig. In feite, VLBI en andere tools zijn essentieel voor aardobservatiesatellieten zoals ICESat-2 en instrumenten zoals GEDI, beide gebruiken laserpulsen om de structuren van ijskappen en bossen te meten. Zonder precies te weten waar het ruimtevaartuig zich boven het aardoppervlak bevindt, wetenschappers zouden dit soort precisiemetingen niet kunnen doen.

"Als je nauwkeurige baanbepaling doet voor iets als ICESat-2, het vereist het referentieframe als invoer, " zei Merkowitz. "ICESat-2 is erg gevoelig voor fouten, dus als de berekening van het middelpunt van de aarde niet klopt, het vertaalt zich in een fout in de wetenschappelijke metingen. Precisie-baanmissies en missies die hoogtes meten, zijn met name afhankelijk van het raamwerk."

In 2007, de National Academy of Sciences meldde dat de geodesie-infrastructuur van het land te snel veroudert om de groeiende vraag naar gegevens bij te houden. Dus lanceerde NASA het Space Geodesy Project om de volgende generatie geodetische stations te ontwikkelen en in te zetten. waaronder VLBI en andere technieken die lasers gebruiken om satellieten nauwkeurig te volgen (satellietlaserbereik genoemd, of spiegelreflex).

De nieuwe VLBI-stations zullen kunnen samplen over een breed frequentiebereik in plaats van slechts twee, waardoor ze meer flexibiliteit hebben om gegevens te blijven verzamelen als er interferentie is van wifi of andere signalen. Door hun kleinere formaat en snellere beweging kunnen ze zich beter aanpassen aan atmosferische omstandigheden, maar om de kleinere gerechten goed te maken (vergeet niet, met radiotelescopen, groter is beter), ze zullen veel sneller gegevens samplen. Eventueel, Merkowitz zei, de systemen zullen 24 uur per dag gegevens kunnen verzamelen zonder menselijk toezicht om veel snellere metingen te kunnen leveren.

De National Academy of Sciences en andere internationale geodetische verenigingen bevelen aan dat, voor de beste wetenschappelijke resultaten, het bijgewerkte Space Geodesy Network moet tot op één millimeter nauwkeurig zijn, of ongeveer de dikte van een ID-kaart. Het moet ook stabiel zijn tot op een tiende van een millimeter - de breedte van een mensenhaar. Deze precisie is cruciaal voor het meten van de zeespiegel, die toenemen met ongeveer 3,4 millimeter, of 0,13 inch, per jaar, aldus Merkowitz.

Het project bevindt zich in de eerste fase:het vervangen van de binnenlandse geodetische stations van NASA door de systemen van de volgende generatie. NASA heeft onlangs zijn derde binnenlandse VLBI-station in Texas geïnstalleerd; de volgende generatie VLBI-stations in Hawaï en Maryland zijn al in bedrijf en nemen routinematig metingen.

NASA werkt ook samen met internationale partners om het internationale VLBI-netwerk over te zetten naar de volgende generatie technologie, aldus Merkowitz. "Internationale samenwerking is essentieel voor het succes van ruimtegeodesie. Het meten van mondiale effecten vereist een mondiaal netwerk, en NASA kan dit niet alleen."

Het netwerk van de volgende generatie ondersteunt nauwkeurigere GPS, steeds preciezere referentiekaders en betere ondersteuning voor de vele manieren waarop we kaarten in de wereld van vandaag gebruiken. Met de hulp van VLBI, het team zal ons in de toekomst nog nauwkeuriger helpen te weten waar we zijn - en waar we heen gaan.