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  Interferometer in der Astronomie |
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scummos
Ehemals Aktiv 
Dabei seit: 22.07.2006
Mitteilungen: 58
 |  Themenstart: 2012-12-04
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Hallo!
Ich beschäftige mich seit einiger Zeit mit Interferometern (ich möchte selbst sowas bauen, im Radiobereich), aber als ich neulich mal wieder über die Theorie nachgedacht habe, habe ich festgestellt, dass ich irgendwas fundamentales nicht oder falsch verstanden habe.
Ich denke, es ist für diese Überlegungen ausreichend, ein 2-Element-Inteferometer zu betrachten, also einfach zwei Antennen, die in einem Abstand d zueinander stehen, und aus irgendeiner Richtung mit (ebenen) elektromagnetischen Wellen der Wellenlänge l bestrahlt werden. Zunächst ist mir denke ich klar, wie ein solches 2 (oder auch n)-Element-Interferometer funktioniert, wenn man von punktförmigen, monochromatischen, kohärenten Quellen ausgeht. Dann lässt man einfach die beiden Signale mit einer gewissen Verzögerung interferieren (oder man misst die beiden Phasen und vergleicht diese), und aus der sich ergebenden Amplitude (bzw. Phasendifferenz) erhält man dann Informationen über die Position der Quelle. Um im allgemeinen Fall eine solche Quelle exakt zu lokalisieren braucht man natürlich Antennen unterschiedlicher Abstände. So weit, so gut.
Was allerdings passiert jetzt, wenn man statt der monochromatischen kohärenten Punktquelle eine echte Quelle, zum Beispiel die Sonne annimmt? Ich denke mir irgendwie, wenn zwei Photonen von der Sonne (die zum Beispiel von zwei weit voneinander entfernten Punkten auf der Sonnenoberfläche emittiert wurden) auf die beiden Antennen treffen, dann besteht ja zwischen denen im Allgemeinen keinerlei vorhersehbare Phasenbeziehung; also kann auch keine Information aus der Interferometrie gewonnen werden. Verstehe ich nicht.
Ich hatte mir schon allerlei Erklärungen zurechtgeschnitten, wie das dann funktioniert, aber die haben sich bei näherem Hinsehen alle als nicht tragfähig erwiesen. Deshalb dachte ich, ich frage mal hier nach. :)
Ich wäre für eine Erklärung oder auch nur einen Denkanstoß in die richtige Richtung sehr dankbar.
Viele Grüße,
Sven
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Dixon
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Dabei seit: 07.10.2006
Mitteilungen: 5805
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 |  Beitrag No.1, eingetragen 2012-12-06
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Hallo scummos,
es sind schon Radiointerferometer von Amateuren gebaut worden. Das erfordert nicht mal allzu exotische Technik.
Die Frage nach den ausgedehnten Quellen ist eine gute. Sie beginnt bei der Frage, was "ausgedehnt" bedeutet. Ist die Quelle kleiner als das Auflösungsvermögen des Teleskops, dann erscheint sie als punktförmig.
Für einen Empfänger mit zwei Antennen kann man von einer Art Doppelspalt ausgehen. Die beiden Antennen wirken gleichzeitig als Filter und resonieren bei einer bestimmten Frequenz. Von entgengesetzten Punkten der Quelle treffen nun Photonen die beiden Antennen. Aufgrund der unterscheidlichen Austrahlungsrichtung haben die Signale einen kleinen Phasenunterschied. Die üblicherweise verwendete Zahl kenne ich nicht, aber ich sage mal, unter \lambda/10 Phasendifferenz sieht man nicht mehr, daß die Quelle ausgedehnt ist.
Angenommen, die Quelle ist ausgedehnt. Dann treffen von verschiedenen Punkten der Quelle ausgesandte Photonen die Antenne unter einem bemerkbaren Phasenunterschied. Das bedeutet, das Interferenzmuster wird modifiziert, es bekommt so eine Art Modulation. Sowas auszuwerten ist Wissenschaft. Man braucht mehrere Antennen für die genaue Form der Quelle, weil die Ausdehnung der Quelle nur in Richtung der Verbindungslinie der Antennen meßbar ist.
Mache es Dir zu Anfang einfach und betrachte nicht gleich ausgedehnte Quellen. Mache Dir doch erstmal Gedanken darüber, wie ein Interferometer eine Doppelquelle sieht, also zwei "nah" beieinanderstehende Quellen.
Grüße
Dixon
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scummos
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Dabei seit: 22.07.2006
Mitteilungen: 58
| Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2012-12-06
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Hallo!
Zunächst einmal, danke für Deine Antwort.
Um mir zu überlegen, wie ausgedehnte Quellen oder mehrere Punktquellen auf ein Array mit mehreren Antennen wirken, habe ich vor einiger Zeit eine kleine Simulation geschrieben, an welcher man den Effekt recht gut erkennen konnte (vorzeigbar ist das leider noch nicht, weil es unheimlich langsam ist und in, sagen wir mal, merkwürdigen Koordinaten zeichnet). Ich denke, seit dem kann ich mir zumindest grob vorstellen, wie das funktioniert, und welchen Einfluss das Einfügen weiterer Antennen an bestimmten Stellen hat. Mein Problem mit ausgedehnten Quellen liegt ein bisschen an einer anderen Stelle: ich frage mich nicht, wie der Effekt aussieht, der von einer solchen Quelle hervorgerufen wird, sondern warum das Interferometer-Prinzip hier überhaupt funktioniert.
Um mein Problem noch einmal anhand Deiner Worte zu verdeutlichen:
> Angenommen, die Quelle ist ausgedehnt.
> Dann treffen von verschiedenen Punkten der
> Quelle ausgesandte Photonen die Antenne
> unter einem bemerkbaren Phasenunterschied.
Ja. Nur: welchen Schluss kann ich aus diesem Phasenunterschied ziehen? Wäre die Quelle ein Laser, bei dem alle zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgesandten Photonen in Phase sind, so könnte ich auf den Laufzeitunterschied schließen. Bei einem Stern (oder so) hingegen weiß ich ja gar nichts über die Phasenbeziehung, die die beiden Photonen zu dem Zeitpunkt hatten, zu dem sie ausgesandt wurden. Also könnten zum Beispiel auch zwei Photonen mit derselben Phase ankommen, obwohl sie eigentlich einen Laufzeitunterschied hatten, der kein Vielfaches der Wellenlänge war.
Ich hoffe, es ist mir nun gelungen, klarer auszudrücken wo mein Problem liegt -- es tut mir Leid, dass das im ersten Beitrag nicht so deutlich war.
Wahrscheinlich ist meine Vorstellung einfach falsch, und die Idee blöd, das im Teilchebild verstehen zu wollen. Denkt man sich, dass ebene Wellen von dem Stern kommen, so ist sehr leicht einzusehen, warum das funktioniert. Aber irgendwie muss es ja im Teilchenbild auch zu verstehen sein, und mir fällt einfach nicht ein wie.
So, wie ich mein eigenes Verständnisproblem verstehe :) hat das auch gar nichts mit der Winkelausdehnung des beobachteten Objekts zu tun, sondern eher mit der realen Ausdehnung, die zur Emission von Photonen mit Phasen führt, die nichts miteinander zu tun haben.
Viele Grüße,
Sven
[ Nachricht wurde editiert von scummos am 07.12.2012 00:00:22 ]
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