stringtranslate.com

Интерферометрия со очень длинной базой

Некоторые из радиотелескопов с большой миллиметровой решеткой в ​​Атакаме .
Восемь радиотелескопов Смитсоновской субмиллиметровой решетки , расположенных в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях.
Размытая фотография сверхмассивной черной дыры в M87.
РСДБ использовалась для создания первого изображения черной дыры, полученного телескопом Event Horizon и опубликованного в апреле 2019 года. [1]

Интерферометрия со сверхдлинной базой ( РСДБ ) — это тип астрономической интерферометрии , используемый в радиоастрономии . В РСДБ сигнал от астрономического радиоисточника , такого как квазар , собирается на нескольких радиотелескопах на Земле или в космосе. Расстояние между радиотелескопами затем рассчитывается с использованием разницы во времени между приходом радиосигнала на разные телескопы. Это позволяет объединять наблюдения объекта, которые производятся одновременно многими радиотелескопами, имитируя телескоп с размером, равным максимальному расстоянию между телескопами.

Данные, полученные каждой антенной в решетке, включают время прибытия от местных атомных часов , таких как водородный мазер . Позднее данные сопоставляются с данными других антенн, которые записали тот же радиосигнал, для получения результирующего изображения. Разрешение, достижимое с помощью интерферометрии, пропорционально частоте наблюдений. Метод VLBI позволяет сделать расстояние между телескопами намного большим, чем это возможно при использовании традиционной интерферометрии , которая требует физического соединения антенн коаксиальным кабелем , волноводом , оптическим волокном или другим типом линии передачи . Большее расстояние между телескопами возможно в РСДБ благодаря разработке Роджером Дженнисоном в 1950-х годах метода визуализации замыкающей фазы , что позволило РСДБ создавать изображения с превосходным разрешением. [2]

РСДБ наиболее известен благодаря получению изображений удаленных космических радиоисточников, отслеживанию космических аппаратов и приложениям в астрометрии . Однако, поскольку метод РСДБ измеряет разницу во времени между приходом радиоволн на отдельные антенны, его также можно использовать «обратно» для изучения вращения Земли, очень точного картографирования движений тектонических плит (в пределах миллиметров) и выполнения других задач. виды геодезии . Использование РСДБ таким образом требует большого количества измерений разницы во времени от удаленных источников (таких как квазары ), наблюдаемых с помощью глобальной сети антенн в течение определенного периода времени.

Метод

Запись данных на каждом из телескопов в РСДБ-установке. Чрезвычайно точные высокочастотные часы записываются вместе с астрономическими данными, чтобы обеспечить правильную синхронизацию.

В РСДБ оцифрованные антенные данные обычно записываются на каждом из телескопов (раньше это делалось на больших магнитных лентах, а сейчас это обычно делается на больших массивах компьютерных дисков). Антенный сигнал регистрируется с помощью чрезвычайно точных и стабильных атомных часов (обычно водородного мазера ), которые дополнительно привязаны к стандарту времени GPS. Наряду с выборками астрономических данных записываются выходные данные этих часов. Записанные носители затем транспортируются в центральное место. Более поздние [ когда? ] были проведены эксперименты с «электронной» РСДБ (e-РСДБ), где данные передаются по оптоволокну (например, оптоволоконные пути 10 Гбит/с в европейской исследовательской сети GEANT2 ) и не записываются на телескопах, что ускоряет существенно упрощает процесс наблюдения. Несмотря на то, что скорость передачи данных очень высока, данные можно отправлять через обычное подключение к Интернету, воспользовавшись тем фактом, что многие международные высокоскоростные сети в настоящее время имеют значительную свободную пропускную способность.

В месте расположения коррелятора данные воспроизводятся. Время воспроизведения регулируется в соответствии с сигналами атомных часов и расчетным 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 из телескопов в массиве VLBI. Особое внимание необходимо уделить синхронизации воспроизведения данных с разных телескопов. Сигналы атомных часов , записанные вместе с данными, помогают правильно рассчитать время.

Каждая антенна будет находиться на разном расстоянии от радиоисточника, и, как и в случае с радиоинтерферометром с короткой базой, задержки , вызванные дополнительным расстоянием до одной антенны, должны быть искусственно добавлены к сигналам, принимаемым каждой из других антенн. Требуемую приблизительную задержку можно рассчитать исходя из геометрии задачи. Воспроизведение ленты синхронизируется с использованием записанных сигналов атомных часов в качестве эталонов времени, как показано на рисунке справа. Если положение антенн неизвестно с достаточной точностью или атмосферные воздействия значительны, необходимо производить точную настройку задержек до тех пор, пока не будут обнаружены интерференционные полосы. Если за опорный принять сигнал с антенны А, то неточности в задержке приведут к ошибкам и в фазах сигналов с лент В и С соответственно (см. рисунок справа). В результате этих ошибок фаза комплексной видимости не может быть измерена интерферометром со очень длинной базой.

Изменения температуры на объектах РСДБ могут деформировать конструкцию антенн и повлиять на базовые измерения. [3] [4] Пренебрежение поправками на атмосферное давление и гидрологическую нагрузку на уровне наблюдений также может испортить РСДБ-измерения из-за введения годовых и сезонных сигналов, как, например, во временных рядах Глобальной навигационной спутниковой системы. [4]

Фаза комплексной видимости зависит от симметрии распределения яркости источника. Любое распределение яркости можно записать как сумму симметричной и антисимметричной составляющей. Симметричная составляющая распределения яркости дает вклад только в действительную часть комплексной видимости, а антисимметричная составляющая – только в мнимую часть. Поскольку фазу каждого комплексного измерения видимости невозможно определить с помощью интерферометра со 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 величину, называемую фазой закрытия . Хотя его первоначальные лабораторные измерения фазы закрытия проводились на оптических длинах волн, он предвидел больший потенциал своей техники в радиоинтерферометрии. В 1958 году он продемонстрировал его эффективность с помощью радиоинтерферометра, но широкое применение для радиоинтерферометрии с длинной базой он стал только в 1974 году. Требуется как минимум три антенны. Этот метод использовался для первых РСДБ-измерений, а модифицированная форма этого подхода («Самокалибровка») используется до сих пор.

Научные результаты

Геодезист Чопо Ма объясняет некоторые геодезические применения РСДБ.

Некоторые из научных результатов, полученных с помощью РСДБ, включают:

РСДБ-массивы

Несколько РСДБ-решеток расположены в Европе , Канаде , США , Чили , России , Китае , Южной Корее , Японии , Мексике , Австралии и Таиланде . Самой чувствительной РСДБ-системой в мире является Европейская РСДБ-сеть (EVN). Это временная группа, которая объединяет крупнейшие европейские радиотелескопы и некоторые другие радиотелескопы за пределами Европы для обычно недельных сеансов, при этом данные обрабатываются в Объединенном институте РСДБ в Европе (JIVE). Решетка со сверхдлинной базой (VLBA), в которой используются десять специализированных 25-метровых телескопов, охватывающих 5351 милю по всей территории Соединенных Штатов, является крупнейшей РСДБ-решеткой, которая работает круглый год как астрономический и геодезический инструмент. [11] Комбинация EVN и VLBA известна как Global VLBI. Когда одна или обе эти решетки объединяются с РСДБ-антеннами космического базирования, такими как HALCA или «Спектр-Р» , получаемое разрешение выше, чем у любого другого астрономического инструмента, способного отображать небо с уровнем детализации, измеряемым в микросекундах дуги . РСДБ обычно выигрывает от более длинных базовых линий, обеспечиваемых международным сотрудничеством, причем примечательным ранним примером является 1976 год, когда радиотелескопы в США, СССР и Австралии были связаны для наблюдения за источниками гидроксильных мазеров. [12] Этот метод в настоящее время используется телескопом Event Horizon , целью которого является наблюдение сверхмассивных черных дыр в центрах галактик Млечный Путь и Мессье 87 . [1] [13] [14]

Расстояние до станции Маларг от других станций РСДБ-сети НАСА.

Сеть дальнего космоса НАСА использует свои более крупные антенны (обычно используемые для связи космических аппаратов) для РСДБ, чтобы создавать опорные радиосистемы для целей навигации космического корабля. Включение станции ЕКА в Маларге, Аргентина, добавляет базовые линии, которые позволяют гораздо лучше охватывать южное полушарие.[15]

электронная РСДБ

Изображение источника IRC +10420 . Изображение с более низким разрешением слева было получено с помощью британской установки MERLIN и показывает оболочку мазерного излучения, создаваемую расширяющейся газовой оболочкой диаметром примерно в 200 раз больше диаметра Солнечной системы . Газовая оболочка была выброшена из звезды-сверхгиганта (в 10 раз массивнее Солнца) в центре выброса около 900 лет назад. Соответствующее изображение e-VLBI EVN (справа) показывает гораздо более тонкую структуру мазеров, видимую благодаря более высокому разрешению массива VLBI.

Традиционно РСДБ записывает сигнал на каждом телескопе на магнитные ленты или диски и отправляет его в корреляционный центр для воспроизведения. В 2004 году стало возможным подключать РСДБ-радиотелескопы в режиме, близком к реальному, при этом по-прежнему используя привязку местного времени, предусмотренную методом РСДБ, в методе, известном как e-РСДБ. В Европе шесть радиотелескопов Европейской сети VLBI (EVN) были подключены к гигабитным каналам связи через свои национальные исследовательские сети и общеевропейскую исследовательскую сеть GEANT2 , и были успешно проведены первые астрономические эксперименты с использованием этой новой техники. [16]

На изображении справа показаны первые научные результаты Европейской сети РСДБ с использованием электронной РСДБ. Данные с каждого из телескопов передавались через сеть GÉANT2 и через SURFnet для обработки в реальном времени в Европейском центре обработки данных JIVE . [16]

Космическая РСДБ

В поисках еще большего углового разрешения на околоземную орбиту были выведены специальные спутники VLBI, обеспечивающие значительно расширенные базовые линии. Эксперименты, включающие такие элементы космической установки, называются космической интерферометрией со сверхдлинной базой (SVLBI). Первый эксперимент СВЛБИ был проведен на орбитальной станции «Салют-6» с 10-метровым радиотелескопом КРТ-10, запущенным в июле 1978 года .

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 включающих ее массивов SVLBI можно было наблюдать только очень сильные радиоисточники. .

Еще один спутник СВЛБИ, 10-метровый радиотелескоп «Спектр-Р» , был запущен в июле 2011 года и проводил наблюдения до января 2019 года. Он был выведен на высокоэллиптическую орбиту с диапазоном от перигея 10 652 км до апогея 338 541 км, что составляет РадиоАстрон, программа SVLBI, включающая спутниковые и наземные антенные решетки, самый большой на сегодняшний день радиоинтерферометр. Разрешение системы достигало 8 микросекунд дуги .

Международная РСДБ-служба геодезии и астрометрии

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

Рекомендации

  1. ^ abc Сотрудничество с телескопами горизонта событий (10 апреля 2019 г.). «Первые результаты телескопа горизонта событий M87. I. Тень сверхмассивной черной дыры». Письма астрофизического журнала . 875 (1): Л1. arXiv : 1906.11238 . Бибкод : 2019ApJ...875L...1E. дои : 10.3847/2041-8213/ab0ec7 .
  2. ^ RC Дженнисон (1958). «Метод фазочувствительного интерферометра для измерения преобразований Фурье пространственных распределений яркости малой угловой протяженности». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 119 (3): 276–284. Бибкод : 1958MNRAS.118..276J . дои : 10.1093/mnras/118.3.276 .
  3. ^ Ресник, Дж.; Хаас, Р.; Бём, Дж.; Шух, Х. (2007). «Моделирование тепловой деформации РСДБ-антенн с помощью новой температурной модели». Журнал геодезии . 81 (6–8): 423–431. Бибкод : 2007JGeod..81..423W. дои : 10.1007/s00190-006-0120-2. S2CID  120880995.
  4. ^ Аб Гадерпур, Э. (2020). «Вейвлет-анализ и перекрестный вейвлет-анализ базовых длин РСДБ и временных рядов температуры: Форталеза-Хартрао-Вестфорд-Веттцелл». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 133 : 1019. doi : 10.1088/1538-3873/abcc4e . S2CID  234445743.
  5. ^ "МКФР". Центр IERS ICRS . Парижская обсерватория . Проверено 25 декабря 2018 г.
  6. ^ «Международная небесная система отсчета (ICRS)» . Военно-морская обсерватория США . Проверено 6 сентября 2022 г.
  7. ^ Шарло, П.; Джейкобс, CS; Гордон, Д.; Ламберт, С.; и другие. (2020), «Третья реализация Международной небесной системы отсчета с помощью интерферометрии со очень длинной базой», Astronomy and Astrophysicals , 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: Университетские научные книги. стр. 176–7. ISBN 978-1-891389-85-6.
  9. ^ «Радиоастрономы подтверждают вход Гюйгенса в атмосферу Титана» . Европейское космическое агентство . 14 января 2005 года . Проверено 22 марта 2019 г.
  10. ↑ Клери, Дэниел (10 апреля 2019 г.). «Впервые можно увидеть, как выглядит черная дыра». Наука . АААС . Проверено 10 апреля 2019 г.
  11. ^ «Массив с очень длинной базовой линией (VLBA)» . Национальная радиоастрономическая обсерватория . Архивировано из оригинала 11 июня 2012 года . Проверено 30 мая 2012 г.
  12. ^ Первый глобальный радиотелескоп, Sov. Астрон., октябрь 1976 г.
  13. ^ Боуман, Кэтрин Л .; Джонсон, Майкл Д.; Зоран, Дэниел; Фиш, Винсент Л.; Долеман, Шеперд С.; Фриман, Уильям Т. (2016). «Вычислительная визуализация для реконструкции РСДБ-изображений». Конференция IEEE 2016 по компьютерному зрению и распознаванию образов (CVPR) . стр. 913–922. arXiv : 1512.01413 . дои :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 должен быть готов в 2017 году». bbc.com . Новости BBC . Проверено 22 октября 2017 г.
  15. ^ Гарсиа-Мир, К. и Сотуэла, Я и Джейкобс, К.С. и Кларк, Дж. Э. и Ноде, Си Джей и Уайт, Л. А. и Мэдд, Р. и Мерколино, М. и Пазос, Д. и Бурда, Г. (2014). Небесная система отсчета X/Ka: к привязке к системе координат GAIA. 12-й Европейский симпозиум по РСДБ-сетям и встреча пользователей (EVN 2014). Том. 3.{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ аб Даймонд, Филип; ван Лангевельде, Хуиб; Конвей, Джон (5 октября 2004 г.). «Астрономы демонстрируют глобальный интернет-телескоп» (пресс-релиз). Объединенный институт РСДБ . Проверено 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. ^ Шух, Х.; Беренд, Д. (октябрь 2012 г.). «РСДБ: увлекательный метод геодезии и астрометрии». Журнал геодинамики . 61 : 68–80. Бибкод : 2012JGeo...61...68S. дои : 10.1016/j.jog.2012.07.007. hdl : 2060/20140005985 .

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме интерферометрии со сверхдлинной базой .