Интерферометрия со очень длинной базой
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 замыкающей фазы в 1950-х годах метода визуализации Роджером Дженнисоном , 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
[ редактировать ]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? ] эксперименты проводились с «электронной» РСДБ (e-РСДБ), где данные передаются по оптоволоконным кабелям (например, оптоволоконные пути 10 Гбит/с в европейской исследовательской сети GEANT2 ) и не записываются на телескопах, что ускоряет и значительно упростить процесс наблюдения. Несмотря на то, что скорость передачи данных очень высока, данные можно передавать по обычным Интернет-соединениям, воспользовавшись тем фактом, что многие международные высокоскоростные сети в настоящее время имеют значительную резервную мощность.
В месте расположения коррелятора данные воспроизводятся. Время воспроизведения регулируется 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.
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, неточности задержки приведут к ошибкам. и по фазам 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 исказить измерения РСДБ, внося годовые и сезонные сигналы, как, например, во временные ряды Глобальной навигационной спутниковой системы. [4]
Фаза комплексной видимости зависит от симметрии распределения яркости источника. Любое распределение яркости можно записать как сумму симметричной составляющей 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
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Март 2019 г. ) |
Некоторые из научных результатов, полученных с помощью РСДБ, включают:
- Радиоизображения космических радиоисточников высокого разрешения.
- Получение изображений поверхностей близлежащих звезд в радиоволнах (см. Также интерферометрия ) — аналогичные методы также использовались для создания инфракрасных и оптических изображений звездных поверхностей.
- Определение небесной системы отсчета . [5] [6]
- Измерение ускорения Солнечной системы по направлению к центру Млечного Пути . [7] : 6–7
- Движение тектонических плит Земли.
- Региональная деформация и локальное поднятие или опускание.
- Параметры ориентации Земли и колебания продолжительности дня . [8]
- Поддержание земной системы отсчета .
- Измерение гравитационных сил Солнца . и Луны на Земле и глубинного строения Земли
- Улучшение атмосферных моделей.
- Измерение фундаментальной скорости гравитации .
- Отслеживание зонда «Гюйгенс» во время его прохождения через атмосферу Титана , что позволяет измерить скорость ветра. [9]
- Первое изображение сверхмассивной черной дыры. [1] [10]
РСДБ-массивы
[ редактировать ]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 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 Соединенных Штатах, СССР и Австралии были связаны для наблюдения за гидроксильно - мазерными источниками. [12] Этот метод в настоящее время используется телескопом Event Horizon , целью которого является наблюдение сверхмассивных черных дыр в центрах галактики Млечный Путь и Мессье 87 . [1] [13] [14]
НАСА Сеть глубокого космоса 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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. [ нужна ссылка ]
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
[ редактировать ]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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с 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 .
- ^ Р. К. 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ «МКФР» . Центр IERS ICRS . Парижская обсерватория . Проверено 25 декабря 2018 г.
- ^ «Международная небесная система отсчета (ICRS)» . Военно-морская обсерватория США . Проверено 6 сентября 2022 г.
- ^ Шарло, П.; Джейкобс, CS; Гордон, Д.; Ламберт, С.; и др. (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
- ^ 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 .
- ^ «Радиоастрономы подтверждают вход Гюйгенса в атмосферу Титана» . Европейское космическое агентство . 14 января 2005 года . Проверено 22 марта 2019 г.
- ^ Клери, Дэниел (10 апреля 2019 г.). «Впервые можно увидеть, как выглядит черная дыра» . Наука . АААС . Проверено 10 апреля 2019 г.
- ^ «Массив со очень длинной базой (VLBA)» . Национальная радиоастрономическая обсерватория . Архивировано из оригинала 11 июня 2012 года . Проверено 30 мая 2012 г.
- ^ Первый глобальный радиотелескоп, Sov. Астрон., октябрь 1976 г.
- ^ Бауман, 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 .
- ^ Уэбб, Джонатан (8 января 2016 г.). «Снимок горизонта событий будет готов в 2017 году» . bbc.com . Новости Би-би-си . Проверено 22 октября 2017 г.
- ^ Гарсиа-Мир, К., Сотуэла, И., Джейкобс, К.С., Кларк, Дж. Э., Нодет, Си Джей, Уайт, Л. А., Мэдд, Р., Мерколино, М., Пасос, Д., 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 ) - ^ Jump up to: а б 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.
- ^ 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 .
- ^ 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
[ редактировать ]- E-MERLIN, используемый в РСДБ-наблюдениях Массив оптоволоконных радиотелескопов
- EXPReS Express Production Служба e-VLBI в реальном времени: трехлетний проект (начало марта 2006 г.), финансируемый Европейской комиссией по разработке межконтинентального прибора e-VLBI, доступного научному сообществу.
- JIVE Объединенный институт РСДБ в Европе
- Международная РСДБ-служба геодезии и астрометрии (IVS)
- IVSOPAR: РСДБ-аналитический центр Парижской обсерватории.
- «РСДБ – роль Канады»