Интерферометрия с очень длинной базой - Very-long-baseline interferometry

Несколько из Большая миллиметровая матрица Atacama радиотелескопы.
Восемь радиотелескопов Смитсоновского института Субмиллиметровая матрица, расположенный в Обсерватория Мауна-Кеа на Гавайях.
Размытая фотография сверхмассивной черной дыры в M87.
РСДБ использовался для создания первого изображения черной дыры, полученного Телескоп горизонта событий и опубликовано в апреле 2019 года.[1]

Интерферометрия с очень длинной базой (РСДБ) является разновидностью астрономическая интерферометрия используется в радиоастрономия. В РСДБ сигнал от астрономический радиоисточник, например квазар, собирается на нескольких радиотелескопах на Земле или в космосе. Затем рассчитывается расстояние между радиотелескопами, используя разницу 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 от каждой антенны в массиве, включают время прибытия от местного атомные часы, например водородный мазер. Позже данные коррелируют с данными от других антенн, которые записали тот же радиосигнал, чтобы получить результирующее изображение. Разрешение, достигаемое с помощью интерферометрии, пропорционально частоте наблюдения. Метод VLBI позволяет расстояние между телескопами быть намного больше, чем это возможно при использовании обычных интерферометрия, который требует, чтобы антенны были физически соединены коаксиальный кабель, волновод, оптоволокно, или другой тип линия передачи. В РСДБ возможны большие разносы телескопов за счет развития фаза закрытия техника визуализации Роджер Дженнисон в 1950-х, что позволило VLBI создавать изображения с превосходным разрешением.[2]

РСДБ наиболее известен для получения изображений далеких космических радиоисточников, отслеживания космических кораблей и приложений в астрометрия. Однако, поскольку метод VLBI измеряет разницу во времени между приходом радиоволн на отдельные антенны, его также можно использовать "в обратном направлении" для выполнения исследований вращения Земли, картирования перемещений тектонические плиты очень точно (с точностью до миллиметра) и выполнять другие типы геодезия. Использование VLBI таким образом требует большого количества измерений разницы во времени от удаленных источников (таких как квазары ) наблюдается с помощью глобальной сети антенн в течение определенного периода времени.

Научные результаты

Геодезист Чопо Ма объясняет некоторые из геодезических применений VLBI.

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

  • Радиовидение космических радиоисточников с высоким разрешением.
  • Получение изображений поверхностей близлежащих звезд в радиоволнах (см. Также интерферометрия ) - аналогичные методы использовались также для получения инфракрасных и оптических изображений звездных поверхностей.
  • Определение небесная система отсчета.[3][4]
  • Движение тектонических плит Земли.
  • Региональная деформация и местное поднятие или опускание.
  • Вариации ориентации Земли и продолжительности дня.[5]
  • Поддержание земной системы отсчета.
  • Измерение гравитационные силы из солнце и Луна на Земле и глубинное строение Земли.
  • Улучшение атмосферных моделей.
  • Измерение основного скорость гравитации.
  • Отслеживание Зонд Гюйгенса как он прошел через Титана атмосфера, позволяющая измерять скорость ветра.[6]
  • Первое изображение сверхмассивной черной дыры.[1][7]

РСДБ массивы

Есть несколько массивов VLBI, расположенных в Европа, Канада, то Соединенные Штаты, Россия, Китай, Южная Корея, Япония, Мексика, и Австралия. Самый чувствительный массив РСДБ в мире - это Европейская сеть VLBI (EVN). Это группа, работающая неполный рабочий день, которая объединяет крупнейшие европейские радиотелескопы и некоторые другие радиотелескопы за пределами Европы для типичных недельных сеансов, при этом данные обрабатываются в Объединенный институт РСДБ в Европе (JIVE). В Очень длинный массив базовых линий (VLBA), в которой используются десять специализированных 25-метровых телескопов, охватывающих 5351 милю по территории Соединенных Штатов, является крупнейшей группой VLBI, которая работает круглый год как астрономическая и геодезия инструмент.[8] Комбинация EVN и VLBA известна как Глобальный РСДБ. Когда одна или обе эти решетки объединены с космическими VLBI-антеннами, такими как HALCA или же Спектр-Р, полученное разрешение выше, чем у любого другого астрономического инструмента, способного отображать небо с уровнем детализации, измеряемым в микросекунды. РСДБ обычно выигрывает от более длинных базовых линий, предоставляемых международным сотрудничеством, с заметным ранним примером в 1976 году, когда радиотелескопы в Соединенных Штатах, СССР и Австралия были связаны, чтобы наблюдать гидроксил-мазер источники.[9] Этот метод в настоящее время используется Телескоп горизонта событий, цель которого - наблюдать сверхмассивные черные дыры в центре Млечный путь и Мессье 87.[1][10][11]

e-VLBI

Изображение источника IRC + 10420. Изображение с более низким разрешением на левом изображении было получено с помощью британского массива MERLIN и показывает оболочку мазер излучение, производимое расширяющейся газовой оболочкой диаметром примерно в 200 раз больше диаметра Солнечная система. Оболочка из газа была выброшена из звезды-сверхгиганта (масса которого в 10 раз превышает массу нашего Солнца) в центре излучения около 900 лет назад. Соответствующее изображение EVN e-VLBI (справа) показывает гораздо более тонкую структуру мазеров из-за более высокого разрешения массива VLBI.

РСДБ традиционно работает, записывая сигнал на каждом телескопе на магнитные ленты или же диски, и отправка их в корреляционный центр для воспроизведения. Недавно,[когда? ] стало возможным соединять радиотелескопы VLBI в режиме, близком к реальному времени, при этом по-прежнему применяя привязку к местному времени по методу VLBI, в методе, известном как e-VLBI. В Европе шесть радиотелескопы из Европейская сеть VLBI (EVN) теперь подключены к каналам со скоростью гигабит в секунду через свои национальные исследовательские сети и общеевропейскую исследовательскую сеть. GEANT2, а первые астрономические эксперименты с использованием этой новой техники были успешно проведены в 2011 году.[12]

На изображении справа показаны первые научные данные, созданные Европейской сетью РСДБ с использованием e-VLBI. Данные с 6 телескопов обрабатывались в реальном времени в Европейском центре обработки данных в г. JIVE. Нидерландская сеть академических исследований SURFnet обеспечивает связь 6 x 1 Гбит / с между JIVE и сетью GEANT2.

Космический РСДБ

В стремлении к еще большему угловому разрешению на околоземную орбиту были размещены специализированные РСДБ-спутники для обеспечения значительно расширенных базовых линий. Эксперименты, включающие такие элементы космической антенной решетки, называются космической интерферометрией с очень длинной базой (SVLBI). Первый эксперимент СВЛБИ был проведен на Салют-6 орбитальная станция с 10-метровым радиотелескопом КРТ-10, запущенная в июле 1978 г.[нужна цитата ]

Первый специализированный спутник SVLBI был HALCA, 8-метровый радиотелескоп, который был запущен в феврале 1997 г. и проводил наблюдения до октября 2003 г. Из-за небольшого размера антенны, только очень сильные радиоисточники можно было наблюдать с помощью массивов SVLBI, включающих его.

Еще один спутник СВЛБИ, 10-метровый радиотелескоп Спектр-Р, был запущен в июле 2011 года и вел наблюдения до января 2019 года. Он был выведен на высокоэллиптическую орбиту в диапазоне от перигея 10 652 км до апогея 338 541 км, в результате чего RadioAstron, программа SVLBI, включающая спутниковые и наземные массивы, стала самой популярной. самый большой радиоинтерферометр на сегодняшний день. Разрешение системы достигло 8 микросекунды.

Метод

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

В РСДБ-интерферометрии 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 измеряется с помощью чрезвычайно точных и стабильных атомных часов (обычно водородных мазер ), который дополнительно привязан к стандарту времени GPS. Наряду с образцами астрономических данных записывается выходной сигнал этих часов. Записанные носители затем транспортируются в центральное место. Более свежий[когда? ] были проведены эксперименты с «электронным» VLBI (e-VLBI), когда данные передаются по волоконно-оптическим каналам (например, по волоконно-оптическим трактам 10 Гбит / с в Европейском регионе). GEANT2 исследовательской сети) и не регистрируется телескопами, что значительно ускоряет и упрощает процесс наблюдений. Несмотря на то, что скорость передачи данных очень высока, данные могут быть отправлены через обычные Интернет-соединения, используя тот факт, что многие из международных высокоскоростных сетей в настоящее время имеют значительную резервную емкость.

Данные воспроизводятся в месте расположения коррелятора. Время воспроизведения регулируется в соответствии с сигналами атомных часов и предполагаемым временем прибытия радиосигнала в каждый из телескопов. Диапазон времени воспроизведения в диапазоне наносекунд обычно проверяется, пока не будет найдено правильное время.

Воспроизведение данных с каждого телескопа в массиве VLBI. Необходимо очень внимательно следить за синхронизацией воспроизведения данных с разных телескопов. Атомные часы сигналы, записанные с помощью данных, помогают правильно рассчитать время.

Каждая антенна будет находиться на разном расстоянии от радиоисточника, и, как и в случае с радиостанцией с короткой базой, интерферометр задержки, вызванные дополнительным расстоянием до одной антенны, должны искусственно добавляться к сигналам, принимаемым каждой из других антенн. Требуемая приблизительная задержка может быть рассчитана исходя из геометрии задачи. Воспроизведение ленты синхронизируется с использованием записанных сигналов атомных часов в качестве отсчета 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 от антенны A взят за эталон, 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 интерферометром с очень длинной базой.

Фаза комплексной видимости зависит от симметрии распределения яркости источника. Любое распределение яркости можно записать как сумму симметричный компонент и антисимметричный компонент. Симметричный компонент распределения яркости вносит вклад только в действительную часть комплексной видимости, в то время как антисимметричный компонент вносит вклад только в мнимую часть. Поскольку фаза каждого сложного измерения видимости не может быть определена с помощью интерферометра с очень длинной базой, симметрия соответствующего вклада в распределения яркости источника неизвестна.

Роджер Клифтон Дженнисон разработал новую технику для получения информации о фазах видимости при наличии ошибок задержки, используя наблюдаемую, называемую фаза закрытия. Хотя его первоначальные лабораторные измерения фазы замыкания проводились в оптических длинах волн, он предвидел больший потенциал своей техники в радиоинтерферометрии. В 1958 году он продемонстрировал его эффективность с помощью радиоинтерферометра, но он стал широко использоваться для радиоинтерферометрии с большой базой только в 1974 году. Требуются по крайней мере три антенны. Этот метод использовался для первых измерений РСДБ, и модифицированная форма этого подхода («Самокалибровка») используется до сих пор.

Международная служба РСДБ по геодезии и астрометрии

Международная РСДБ-служба геодезии и астрометрии (IVS) - это международное сотрудничество, целью которого является использование наблюдений за астрономическими радиоисточниками с использованием (VLBI) для точного определения параметры ориентации Земли (EOP), небесные системы отсчета (CRF) и наземные системы отсчета (TRF).[13] ИВС - это сервис, работающий под Международный астрономический союз (IAU) и Международная ассоциация геодезии (IAG).[14]

Рекомендации

  1. ^ а б c Сотрудничество с телескопом Event Horizon (10 апреля 2019 г.). «Результаты первого телескопа M87 Event Horizon. I. Тень сверхмассивной черной дыры». Письма в астрофизический журнал. 875 (1): L1. arXiv:1906.11238. Bibcode:2019ApJ ... 875L ... 1E. Дои:10.3847 / 2041-8213 / ab0ec7.
  2. ^ 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. Bibcode:1958МНРАС.118..276J. Дои:10.1093 / mnras / 118.3.276.
  3. ^ «СКРФ». Центр IERS ICRS. Парижская обсерватория. Получено 25 декабря 2018.
  4. ^ «Международная небесная справочная система (ICRS)». Военно-морская обсерватория США. Получено 25 декабря 2018.
  5. ^ Урбан, Шон Э .; Зайдельманн, П. Кеннет, ред. (2013). Пояснительное приложение к астрономическому альманаху, 3-е издание. Милл-Вэлли, Калифорния: Научные книги университета. С. 176–7. ISBN  978-1-891389-85-6.
  6. ^ «Радиоастрономы подтверждают вход Гюйгенса в атмосферу Титана». Европейское космическое агентство. 14 января 2005 г.. Получено 22 марта, 2019.
  7. ^ Клери, Дэниел (10 апреля 2019 г.). «Впервые вы можете увидеть, как выглядит черная дыра». Наука. AAAS. Получено 10 апреля, 2019.
  8. ^ «Массив очень длинных базовых линий (VLBA)». Национальная радиоастрономическая обсерватория. Архивировано из оригинал 11 июня 2012 г.. Получено 30 мая, 2012.
  9. ^ Первый Глобальный радиотелескоп, Сов. Astron., Октябрь 1976 г.
  10. ^ Боуман, Кэтрин Л.; Джонсон, Майкл Д .; Зоран, Даниил; Рыба, Винсент Л .; Doeleman, Sheperd S .; Фриман, Уильям Т. (2016). «Вычислительная визуализация для реконструкции изображений VLBI». Конференция IEEE по компьютерному зрению и распознаванию образов (CVPR) 2016 г.. С. 913–922. arXiv:1512.01413. Дои:10.1109 / CVPR.2016.105. HDL:1721.1/103077. ISBN  978-1-4673-8851-1. S2CID  9085016.
  11. ^ Уэбб, Джонатан (8 января 2016 г.). «Снимок горизонта событий должен быть сделан в 2017 г.». bbc.com. Новости BBC. Получено 2017-10-22.
  12. ^ «Астрономы демонстрируют глобальный интернет-телескоп». Получено 2011-05-06.
  13. ^ Nothnagel, A .; Artz, T .; Behrend, D .; Малкин З. (8 сентября 2016 г.). «Международная служба РСДБ по геодезии и астрометрии». Журнал геодезии. 91 (7): 711–721. Bibcode:2017JGeod..91..711N. Дои:10.1007 / s00190-016-0950-5. S2CID  123256580.
  14. ^ Schuh, H .; Беренд, Д. (октябрь 2012 г.). «РСДБ: увлекательный метод геодезии и астрометрии». Журнал геодинамики. 61: 68–80. Bibcode:2012JGeo ... 61 ... 68S. Дои:10.1016 / j.jog.2012.07.007. HDL:2060/20140005985.

внешняя ссылка