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開口合成または合成イメージングは、複数の望遠鏡からの信号を混合して、望遠鏡群全体と同じ大きさの装置と同じ角度分解能を持つ画像を生成する干渉法の一種です。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]それぞれの分離と向きにおいて、干渉計のローブパターンは、観測対象の明るさの空間分布のフーリエ変換の1つの成分である出力を生成します。光源の画像（または「マップ」）は、これらの測定値から生成されます。天文干渉計は、高解像度の光学、赤外線、サブミリ波、および電波天文学観測によく使用されます。たとえば、イベントホライズンテレスコーププロジェクトは、開口合成を使用してブラックホールの最初の画像を生成しました。[ 4 ]
開口合成は、各望遠鏡で入射信号の振幅と位相の両方を測定できる場合にのみ可能です。電波周波数では電子回路で測定できますが、光周波数では電磁場を直接測定してソフトウェアで相関させることはできず、高感度光学系を通して伝搬させ、光学的に干渉させる必要があります。正確な光遅延と大気波面収差補正が求められますが、これは非常に高度な技術であり、1990年代になってようやく実現可能になりました。そのため、開口合成を用いたイメージングは、電波天文学では1950年代から、光・赤外線天文学では2000年代に入ってからようやく成功裏に利用されるようになりました。詳しくは天文干渉計の項を参照してください。
高品質の画像を生成するには、異なる望遠鏡間のさまざまな分離距離を多数必要とします（電波源から見た任意の 2 つの望遠鏡間の投影された分離距離はベースラインと呼ばれます）。高品質の画像を得るには、できるだけ多くの異なるベースラインが必要です。n 個の望遠鏡のアレイのベースラインの数 ( n b )は、n b = ( n 2 − n )/2で与えられます。(これは またはn C 2）。例えば、VLA（超大型電波望遠鏡群）は27台の望遠鏡を備え、一度に351の独立した基線を提供し、高品質の画像を得ることができます。
電波望遠鏡アレイとは対照的に、現在最大の光学望遠鏡アレイはわずか6台の望遠鏡しか備えておらず、望遠鏡間の基線長が15本もあるため、画像品質は劣る。
ほとんどの無線周波数開口合成干渉計は、地球の自転を利用して、観測に含まれる異なる基線の数を増やします（右図参照）。異なる時間にデータを取得することで、追加の望遠鏡を用意したり、望遠鏡を手動で移動させたりすることなく、異なる望遠鏡間隔と角度での測定が可能になります。これは、地球の自転によって望遠鏡が新しい基線に移動するからです。
地球の自転の利用については、1950年の論文「北半球の電波星の予備調査」で詳しく議論されている。[ 5 ]一部の機器では、開口マスク干渉法のように、地球の自転の代わりに干渉計アレイの人工的な回転を利用している。
開口合成の概念は、1946年にオーストラリアの電波天文学者ルビー・ペイン＝スコットとジョセフ・ポーシーによって初めて提唱された。シドニーのドーバーハイツで活動していたペイン＝スコットは、 1946年1月26日にオーストラリア陸軍のレーダーを電波望遠鏡として使用し、電波天文学における初期の干渉計観測を行った。 [ 6 ]
開口合成イメージングは後にケンブリッジ大学電波天文学グループのマーティン・ライルとその同僚によって電波波長で開発された。マーティン・ライルとトニー・ヒューイッシュは、この功績と電波干渉計の開発へのその他の貢献により、ノーベル賞を共同受賞した。[ 7 ]
ケンブリッジの電波天文学グループは、 1950年代にケンブリッジ近郊にマラード電波天文台を設立した。1960年代後半から1970年代初頭にかけて、タイタンなどのコンピュータが計算負荷の高いフーリエ変換の逆演算を処理できるようになると、彼らは開口合成を用いて、ワンマイル望遠鏡とライル望遠鏡 をそれぞれ使用し、「ワンマイル」および後に「5km」の有効開口を作り出した。
この技術はその後、超長基線干渉法において数千キロメートルもの基線長を実現するためにさらに発展し、光学望遠鏡にも応用された。開口合成という用語は、合成開口レーダーと呼ばれるレーダーシステムの一種を指す場合もあるが、これは電波天文学の手法とは技術的に無関係であり、独自に開発されたものである。
当初は、ほぼすべての基線長と向きで、ある最大値まで測定を行う必要があると考えられていました。このように完全にサンプリングされたフーリエ変換は、最大基線に等しい開口径を持つ従来の望遠鏡からの画像と形式的に完全に同等の情報を含んでいるため、開口合成という名前が付けられました。
多くの場合、特に最大エントロピー法などの非線形逆畳み込みアルゴリズムを用いることで、比較的まばらで不規則なベースラインでも有用な画像を作成できることがすぐに明らかになった。合成イメージングという別名は、フーリエ変換による画像再構成を可能にする完全な開口を合成しようとする試みから、強力だが計算コストの高いアルゴリズムを用いて利用可能なあらゆるデータから画像を合成しようとする試みへと重点が移ったことを示している。
この計算上のボトルネックを回避するため、ディープシノプティックアレイなどの望遠鏡は、多数（この場合は2000個）のランダムに配置されたアンテナを使用して、uv平面をほぼ完全にサンプリングします。これにより、はるかに単純な再構成を可能にする点像分布関数が得られ、望遠鏡からデータが送られてくると同時に画像を計算できます。これは電波カメラと呼ばれます。
開口合成は、技術的にも歴史的にも合成開口レーダーとは独立していることに注意してください。合成開口レーダーはドップラー技術であり、元々は1950年代初頭にカール・A・ワイリーによって開発されました。動作原理は無関係です。[ 8 ]
