stringtranslate.com

Интерферометрия со сверхдлинной базой

Некоторые из радиотелескопов Атакамской большой миллиметровой решетки
Восемь радиотелескопов Смитсоновского субмиллиметрового массива , расположенных в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях.
Размытое фото сверхмассивной черной дыры в M87.
VLBI использовалась для создания первого изображения черной дыры, полученного с помощью телескопа Event Horizon и опубликованного в апреле 2019 года. [1]

Интерферометрия со сверхдлинной базой ( VLBI ) — это тип астрономической интерферометрии, используемый в радиоастрономии . В VLBI сигнал от астрономического радиоисточника , такого как квазар , собирается на нескольких радиотелескопах на Земле или в космосе. Затем расстояние между радиотелескопами рассчитывается с использованием разницы во времени между прибытиями радиосигнала на разные телескопы. Это позволяет объединить наблюдения объекта, которые производятся одновременно многими радиотелескопами, эмулируя телескоп с размером, равным максимальному разделению между телескопами.

Данные, полученные на каждой антенне в массиве, включают время прибытия от локальных атомных часов , таких как водородный мазер . В более позднее время данные коррелируются с данными от других антенн, которые записали тот же радиосигнал, для получения результирующего изображения. Разрешение, достигаемое с помощью интерферометрии, пропорционально частоте наблюдения. Метод VLBI позволяет сделать расстояние между телескопами намного больше, чем это возможно при обычной интерферометрии , которая требует, чтобы антенны были физически соединены коаксиальным кабелем , волноводом , оптоволокном или другим типом линии передачи . Большее разделение телескопов возможно в VLBI благодаря разработке Роджером Дженнисоном в 1950-х годах метода формирования изображений с закрытой фазой , что позволяет VLBI создавать изображения с превосходным разрешением. [2]

VLBI наиболее известен для визуализации далеких космических радиоисточников, отслеживания космических аппаратов и для приложений в астрометрии . Однако, поскольку метод VLBI измеряет разницу во времени между прибытием радиоволн на отдельные антенны, его также можно использовать «в обратном порядке» для проведения исследований вращения Земли, очень точного картирования движений тектонических плит (в пределах миллиметров) и выполнения других типов геодезии . Использование VLBI таким образом требует большого количества измерений разницы во времени от далеких источников (таких как квазары ), наблюдаемых с помощью глобальной сети антенн в течение определенного периода времени.

Метод

Запись данных на каждом из телескопов в массиве VLBI. Чрезвычайно точные высокочастотные часы записываются вместе с астрономическими данными, чтобы помочь получить правильную синхронизацию

В VLBI оцифрованные данные антенны обычно записываются на каждом из телескопов (в прошлом это делалось на больших магнитных лентах, но в настоящее время это обычно делается на больших массивах компьютерных дисководов). Сигнал антенны отбирается с помощью чрезвычайно точных и стабильных атомных часов (обычно водородного мазера ), которые дополнительно привязаны к стандарту времени GPS. Наряду с выборками астрономических данных записывается выход этих часов. Затем записанные носители транспортируются в центральное местоположение. Более поздние [ когда? ] эксперименты были проведены с «электронным» VLBI (e-VLBI), где данные отправляются по оптоволокну (например, 10 Гбит/с оптоволоконные пути в европейской исследовательской сети GEANT2 ) и не записываются на телескопах, что значительно ускоряет и упрощает процесс наблюдения. Несмотря на то, что скорости передачи данных очень высоки, данные можно отправлять по обычным интернет-соединениям, используя тот факт, что многие международные высокоскоростные сети в настоящее время имеют значительную свободную емкость.

В месте расположения коррелятора данные воспроизводятся. Время воспроизведения корректируется в соответствии с сигналами атомных часов и предполагаемым временем прибытия радиосигнала на каждый из телескопов. Обычно тестируется диапазон времени воспроизведения в диапазоне наносекунд, пока не будет найдено правильное время.

Воспроизведение данных с каждого телескопа в массиве VLBI. Необходимо проявлять особую осторожность, чтобы синхронизировать воспроизведение данных с разных телескопов. Сигналы атомных часов , записанные вместе с данными, помогают получить правильное время.

Каждая антенна будет находиться на разном расстоянии от источника радиосигнала, и, как и в случае с радиоинтерферометром с короткой базой, задержки , вызванные дополнительным расстоянием до одной антенны, должны быть искусственно добавлены к сигналам, полученным на каждой из других антенн. Приблизительная требуемая задержка может быть рассчитана из геометрии задачи. Воспроизведение ленты синхронизируется с использованием записанных сигналов с атомных часов в качестве эталонов времени, как показано на рисунке справа. Если положение антенн неизвестно с достаточной точностью или атмосферные эффекты значительны, необходимо выполнить точную настройку задержек до тех пор, пока не будут обнаружены интерференционные полосы. Если сигнал с антенны A принимается в качестве эталона, неточности в задержке приведут к ошибкам и в фазах сигналов с лент B и C соответственно (см. рисунок справа). В результате этих ошибок фаза сложной видимости не может быть измерена с помощью интерферометра с очень длинной базой.

Изменения температуры в местах проведения VLBI могут деформировать структуру антенн и влиять на базовые измерения. [3] [4] Пренебрежение поправками на атмосферное давление и гидрологическую нагрузку на уровне наблюдений также может испортить измерения VLBI, внося годовые и сезонные сигналы, как во временных рядах Глобальной навигационной спутниковой системы. [4]

Фаза комплексной видимости зависит от симметрии распределения яркости источника. Любое распределение яркости можно записать в виде суммы симметричной составляющей и антисимметричной составляющей. Симметричная составляющая распределения яркости вносит вклад только в действительную часть комплексной видимости, в то время как антисимметричная составляющая вносит вклад только в мнимую часть. Поскольку фаза каждого измерения комплексной видимости не может быть определена с помощью интерферометра с очень длинной базой, симметрия соответствующего вклада в распределения яркости источника неизвестна.

Роджер Клифтон Дженнисон разработал новый метод получения информации о фазах видимости при наличии ошибок задержки, используя наблюдаемую, называемую фазой замыкания . Хотя его первоначальные лабораторные измерения фазы замыкания были выполнены на оптических длинах волн, он предвидел больший потенциал для своего метода в радиоинтерферометрии. В 1958 году он продемонстрировал его эффективность с помощью радиоинтерферометра, но он стал широко использоваться для радиоинтерферометрии с длинной базой только в 1974 году. Требуется не менее трех антенн. Этот метод использовался для первых измерений VLBI, и модифицированная форма этого подхода («Самокалибровка») используется до сих пор.

Научные результаты

Геодезист Чопо Ма объясняет некоторые аспекты геодезического применения VLBI.

Некоторые научные результаты, полученные с помощью РСДБ, включают в себя:

Массивы VLBI

Существует несколько массивов VLBI, расположенных в Европе , Канаде , США , Чили , России , Китае , Южной Корее , Японии , Мексике , Австралии и Таиланде . Самым чувствительным массивом VLBI в мире является Европейская сеть VLBI (EVN). Это работающий неполный рабочий день массив, который объединяет крупнейшие европейские радиотелескопы и некоторые другие за пределами Европы для обычно недельных сеансов, при этом данные обрабатываются в Объединенном институте VLBI в Европе (JIVE). Массив сверхдлинной базы (VLBA), который использует десять специализированных 25-метровых телескопов, охватывающих 5351 милю по всей территории Соединенных Штатов, является крупнейшим массивом VLBI, который работает круглый год как астрономический и геодезический инструмент. [11] Сочетание EVN и VLBA известно как Глобальный VLBI. Когда один или оба из этих массивов объединяются с космическими антеннами VLBI, такими как HALCA или Spektr-R , полученное разрешение выше, чем у любого другого астрономического инструмента, способного получать изображения неба с уровнем детализации, измеряемым в микросекундах дуги . VLBI, как правило, выигрывает от более длинных базовых линий, предоставляемых международным сотрудничеством, с заметным ранним примером в 1976 году, когда радиотелескопы в Соединенных Штатах, СССР и Австралии были связаны для наблюдения за источниками гидроксильного мазера . [12] Этот метод в настоящее время используется Телескопом горизонта событий , целью которого является наблюдение за сверхмассивными черными дырами в центрах Галактики Млечный Путь и Мессье 87. [ 1] [13] [14]

Расстояние до станции Маларгуэ от других станций сети NASA VLBI

Сеть дальней космической связи NASA использует свои большие антенны (обычно используемые для связи космических аппаратов) для VLBI, чтобы построить радиореферентные рамки для целей навигации космических аппаратов. Включение станции ESA в Маларге, Аргентина, добавляет базовые линии, которые позволяют гораздо лучше покрывать южное полушарие. [15]

e-РСДБ

Изображение источника IRC +10420 . Изображение с более низким разрешением слева было получено с помощью массива MERLIN Великобритании и показывает оболочку мазерного излучения, созданную расширяющейся оболочкой газа с диаметром примерно в 200 раз больше, чем у Солнечной системы . Оболочка газа была выброшена из сверхгигантской звезды (в 10 раз больше массы Солнца) в центре излучения около 900 лет назад. Соответствующее изображение EVN e-VLBI (справа) показывает гораздо более тонкую структуру мазеров, которая стала видна с более высоким разрешением массива VLBI.

VLBI традиционно работала, записывая сигнал на каждом телескопе на магнитные ленты или диски и отправляя их в корреляционный центр для воспроизведения. В 2004 году стало возможным соединять радиотелескопы VLBI в режиме, близком к реальному времени, при этом все еще используя местные временные привязки техники VLBI, в технике, известной как e-VLBI. В Европе шесть радиотелескопов Европейской сети VLBI (EVN) были соединены гигабитными каналами связи через свои национальные исследовательские сети и общеевропейскую исследовательскую сеть GEANT2 , и были успешно проведены первые астрономические эксперименты с использованием этой новой техники. [16]

Изображение справа показывает первую науку, созданную Европейской сетью VLBI с использованием e-VLBI. Данные с каждого телескопа были направлены через сеть GÉANT2 и далее через SURFnet для обработки в реальном времени в Европейском центре обработки данных в JIVE . [16]

Космическая РСДБ

В поисках еще большего углового разрешения на околоземную орбиту были выведены специальные спутники VLBI, чтобы обеспечить значительное расширение базовых линий. Эксперименты, включающие такие элементы массива, размещенные в космосе, называются космической сверхдлинной базовой интерферометрией (SVLBI). Первый эксперимент SVLBI был проведен на орбитальной станции «Салют-6» с КРТ-10, 10-метровым радиотелескопом, который был запущен в июле 1978 года. [ необходима цитата ]

Первым специализированным спутником SVLBI был HALCA , 8-метровый радиотелескоп , который был запущен в феврале 1997 года и проводил наблюдения до октября 2003 года. Из-за небольшого размера антенны с помощью решеток SVLBI, включающих ее, можно было наблюдать только очень сильные радиоисточники.

Другой спутник SVLBI, 10-метровый радиотелескоп Spektr-R , был запущен в июле 2011 года и проводил наблюдения до января 2019 года. Он был выведен на высокоэллиптическую орбиту, от перигея 10 652 км до апогея 338 541 км, что сделало RadioAstron, программу SVLBI, включающую спутниковые и наземные массивы, крупнейшим радиоинтерферометром на сегодняшний день. Разрешение системы достигло 8 микросекунд дуги .

Международная служба VLBI по геодезии и астрометрии

Международная служба VLBI по геодезии и астрометрии ( IVS ) — это международное сотрудничество, целью которого является использование наблюдений астрономических радиоисточников с помощью VLBI для точного определения параметров ориентации Земли (EOP), небесных систем отсчета (CRF) и земных систем отсчета (TRF). [17] IVS — это служба, действующая под эгидой Международного астрономического союза (IAU) и Международной ассоциации геодезии (IAG). [18]

Ссылки

  1. ^ abc Сотрудничество с Event Horizon Telescope (10 апреля 2019 г.). "Результаты первых исследований M87 Event Horizon Telescope. I. Тень сверхмассивной черной дыры". The Astrophysical Journal Letters . 875 (1): L1. arXiv : 1906.11238 . Bibcode : 2019ApJ...875L...1E. doi : 10.3847/2041-8213/ab0ec7 .
  2. ^ RC Jennison (1958). "Фазочувствительный интерферометрический метод измерения преобразований Фурье пространственных распределений яркости малой угловой протяженности". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 119 (3): 276–284. Bibcode : 1958MNRAS.118..276J . doi : 10.1093/mnras/118.3.276 .
  3. ^ Wresnik, J.; Haas, R.; Boehm, J.; Schuh, H. (2007). «Моделирование тепловой деформации антенн VLBI с помощью новой температурной модели». Journal of Geodesy . 81 (6–8): 423–431. Bibcode : 2007JGeod..81..423W. doi : 10.1007/s00190-006-0120-2. S2CID  120880995.
  4. ^ ab Ghaderpour, E. (2020). "Анализ наименьших квадратов вейвлетов и кросс-вейвлетов длины базовой линии VLBI и временных рядов температуры: Форталеза-Хартрао-Вестфорд-Ветцелл". Публикации Астрономического общества Тихого океана . 133 : 1019. doi : 10.1088/1538-3873/abcc4e . S2CID  234445743.
  5. ^ "ICRF". IERS ICRS Center . Парижская обсерватория . Получено 25 декабря 2018 г.
  6. ^ "Международная небесная система отсчета (ICRS)". Военно-морская обсерватория США . Получено 6 сентября 2022 г.
  7. ^ Charlot, P.; Jacobs, CS; Gordon, D.; Lambert, S.; и др. (2020), «Третья реализация Международной небесной системы отсчета с помощью интерферометрии с очень длинной базой», Astronomy and Astrophysics , 644 : A159, arXiv : 2010.13625 , Bibcode : 2020A&A...644A.159C, doi : 10.1051/0004-6361/202038368, S2CID  225068756
  8. ^ Урбан, Шон Э.; Зайдельманн, П. Кеннет, ред. (2013). Пояснительное приложение к Астрономическому альманаху, 3-е издание . Милл-Вэлли, Калифорния: University Science Books. стр. 176–7. ISBN 978-1-891389-85-6.
  9. ^ "Радиоастрономы подтверждают вхождение Гюйгенса в атмосферу Титана". Европейское космическое агентство . 14 января 2005 г. Получено 22 марта 2019 г.
  10. ^ Клери, Дэниел (10 апреля 2019 г.). «Впервые вы можете увидеть, как выглядит черная дыра». Science . AAAS . Получено 10 апреля 2019 г. .
  11. ^ "Very Long Baseline Array (VLBA)". Национальная радиоастрономическая обсерватория . Архивировано из оригинала 11 июня 2012 года . Получено 30 мая 2012 года .
  12. ↑ Первый глобальный радиотелескоп, Сов. Астрон., октябрь 1976 г.
  13. ^ Боуман, Кэтрин Л .; Джонсон, Майкл Д.; Зоран, Дэниел; Фиш, Винсент Л.; Доулман, Шеперд С.; Фримен, Уильям Т. (2016). «Вычислительная визуализация для реконструкции изображений VLBI». Конференция IEEE 2016 года по компьютерному зрению и распознаванию образов (CVPR) . стр. 913–922. arXiv : 1512.01413 . doi : 10.1109/CVPR.2016.105. hdl : 1721.1/103077. ISBN 978-1-4673-8851-1. S2CID  9085016.
  14. ^ Уэбб, Джонатан (8 января 2016 г.). «Снимок горизонта событий ожидается в 2017 г.». bbc.com . BBC News . Получено 22 октября 2017 г.
  15. ^ Гарсия-Мир, К., Сотуэла, И., Якобс, К.С., Кларк, Дж.Е., Ноде, К.Дж., Уайт, Л.А., Мадде, Р., Мерколино, М., Пазос, Д., Бурда, Г. (2014). Небесная система отсчета X/Ka: на пути к связи с системой GAIA. 12-й Европейский симпозиум и встреча пользователей сети VLBI (EVN 2014). Том 3.{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ ab Diamond, Philip; van Langevelde, Huib; Conway, John (5 октября 2004 г.). «Astronomers Demonstrate a Global Internet Telescope» (пресс-релиз). Joint Institute for VLBI . Получено 9 декабря 2022 г. .
  17. ^ Нотнагель, А.; Арц, Т.; Беренд, Д.; Малкин З. (8 сентября 2016 г.). «Международная РСДБ-служба геодезии и астрометрии». Журнал геодезии . 91 (7): 711–721. Бибкод : 2017JGeod..91..711N. дои : 10.1007/s00190-016-0950-5. S2CID  123256580.
  18. ^ Шу, Х.; Беренд, Д. (октябрь 2012 г.). «VLBI: увлекательный метод для геодезии и астрометрии». Журнал геодинамики . 61 : 68–80. Bibcode : 2012JGeo...61...68S. doi : 10.1016/j.jog.2012.07.007. hdl : 2060/20140005985 .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Интерферометрия со сверхдлинной базой» .