Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Некоторые из радиотелескопов с большой миллиметровой антенной решеткой Атакамы .
Восемь радиотелескопов Смитсоновской субмиллиметровой решетки , расположенной в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях.
Размытая фотография сверхмассивной черной дыры в M87.
РСДБ использовался 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 множеством радиотелескопов на Земле или в космосе. Затем рассчитывается расстояние между радиотелескопами с использованием разницы во времени прихода радиосигнала на разные телескопы. Это позволяет комбинировать 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 прихода от местных атомных часов , например водородного мазера . 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 традиционной интерферометрии , которая требует, чтобы антенны были физически соединены коаксиальным кабелем , волноводом , оптическим волокном или другим типом линии передачи.. Большие расстояния между телескопами возможны в РСДБ из-за разработки Роджером Дженнисоном в 1950-х годах техники построения изображения фазы замыкания , что позволило РСДБ создавать изображения с превосходным разрешением. [2]

РСДБ наиболее известен для получения изображений далеких космических радиоисточников, отслеживания космических аппаратов и приложений в астрометрии . 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, очень точного картирования движений тектонических плит (в пределах миллиметров) и выполнения других задач. виды геодезии . Использование VLBI 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.

Научные результаты [ править ]

Воспроизвести медиа
Геодезист Чопо Ма объясняет некоторые из геодезических применений VLBI.

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

  • Радиовидение космических радиоисточников с высоким разрешением.
  • Получение изображений поверхностей близлежащих звезд в радиоволнах (см. Также интерферометрию ) - аналогичные методы также использовались для создания инфракрасных и оптических изображений звездных поверхностей.
  • Определение небесной системы 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 гравитационных сил в Солнца и Луны на Земле и глубинном строении Земли.
  • Улучшение атмосферных моделей.
  • Измерение основной скорости гравитации .
  • Отслеживание зонда Гюйгенса, когда он проходил через атмосферу Титана , что позволяет измерять скорость ветра. [6]
  • Первое изображение сверхмассивной черной дыры. [1] [7]

РСДБ массивы [ править ]

Существует несколько массивов VLBI, расположенных в Европе , Канаде , США , России , Китае , Южной Корее , Японии , Мексике , Австралии и Таиланде . Самый чувствительный массив РСДБ в мире - это Европейская сеть РСДБ (EVN). Это группа, работающая неполный рабочий день, которая объединяет крупнейшие европейские радиотелескопы и некоторые другие радиотелескопы за пределами Европы для проведения, как правило, недельных сеансов, при этом данные обрабатываются в Объединенном институте РСДБ в Европе (JIVE). Very Long Baseline массив(VLBA), который использует десять специализированных 25-метровых телескопов, охватывающих 5351 милю по всей территории Соединенных Штатов, является крупнейшей группой VLBI, которая работает круглый год как астрономический и геодезический инструмент. [8] Комбинация EVN и VLBA известна как Global VLBI . Когда одна или обе из этих решеток объединены с космическими РСДБ-антеннами, такими как HALCA или Spektr-R , полученное разрешение выше, чем у любого другого астрономического инструмента, способного отображать небо с уровнем детализации, измеряемым в микросекундах.. РСДБ обычно выигрывает от более длинных базовых линий, предоставляемых международным сотрудничеством, с примечательным ранним примером в 1976 году, когда радиотелескопы в Соединенных Штатах, СССР и Австралии были связаны для наблюдения за источниками гидроксильных мазеров . [9] Этот метод в настоящее время используется телескопом Event Horizon Telescope , целью которого является наблюдение сверхмассивных черных дыр в центрах Галактики Млечный Путь и Мессье 87 . [1] [10] [11]

e-VLBI [ править ]

Изображение источника IRC + 10420. Изображение с более низким разрешением на левом изображении было получено с помощью британской установки MERLIN и показывает оболочку мазерного излучения, создаваемую расширяющейся оболочкой из газа, диаметр которой примерно в 200 раз больше диаметра Солнечной системы . Оболочка из газа была выброшена сверхгигантской звездой (в 10 раз превышающей 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 диски и отправляя их в корреляционный центр для воспроизведения. Недавно [ когда? ] стало возможным подключать 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 по Европейской РСДБ сети (EVN) теперь связаны с гигабит в секунду связь посредством их национальных исследовательских сетей и Пан-Европейской исследовательской сети GEANT2 и первых астрономических экспериментов с использованием этой новой методики 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 JIVE . Нидерландская сеть академических исследований SURFnet обеспечивает соединение со скоростью 6 x 1 Гбит / с между JIVE и сетью GEANT2.

Космическая РСДБ [ править ]

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 со сверхдлинной базой (SVLBI). Первый эксперимент SVLBI проводили на Салют-6 орбитальной станции с KRT-10, 10-метровый радиотелескоп, который был запущен в июле 1978 г. [ править ]

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

Другой спутник SVLBI, 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 перигеем 10 652 км до апогея 338 541 км, в результате чего RadioAstron, программа SVLBI, включающая спутниковые и наземные массивы, самый большой радиоинтерферометр на сегодняшний день. Разрешение системы достигало 8 микросекунд .

Метод [ править ]

Запись данных на каждом телескопе 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 чрезвычайно точными и стабильными атомными часами (обычно водородным мазером ), которые дополнительно привязаны к стандарту времени GPS. Наряду с выборками астрономических данных записывается выходной сигнал этих часов. Записанные носители затем транспортируются в центральное место. Более свежие [ когда? ] были проведены эксперименты с «электронным» VLBI (e-VLBI), где данные передаются по волоконно-оптическим каналам (например, по волоконно-оптическим трактам 10 Гбит / с в европейском GEANT2исследовательской сети) и не регистрируется телескопами, что значительно ускоряет и упрощает процесс наблюдений. Несмотря на то, что скорость передачи данных очень высока, данные можно отправлять через обычные Интернет-соединения, используя тот факт, что многие международные высокоскоростные сети в настоящее время имеют значительную резервную емкость.

В месте расположения коррелятора данные воспроизводятся. Время воспроизведения регулируется в соответствии с сигналами атомных часов и расчетным 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. Особое внимание следует уделять 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 источника радиосигнала, и как с короткой базовой радиостанции интерферометр задержки , понесенные дополнительного расстояния до одной антенны должны быть добавлены искусственно сигналов , принимаемых на 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 ив 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 симметричной составляющей и антисимметричной составляющей . 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 с использованием наблюдаемой, называемой фазой закрытия . Хотя его первоначальные лабораторные измерения фазы замыкания проводились на 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 [ править ]

Международная служба РСДБ для геодезии и астрометрии (IVS) - это международное сотрудничество, целью которого является использование наблюдений за астрономическими радиоисточниками с использованием (VLBI) для точного определения параметров ориентации Земли (EOP), небесных систем отсчета (CRF) и наземных систем отсчета. (TRF). [13] IVS - это служба, действующая в рамках Международного астрономического союза (МАС) и Международной геодезической ассоциации (IAG). [14]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Сотрудничество с телескопами Event Horizon (10 апреля 2019 г.). "Результаты первого телескопа горизонта событий M87. I. Тень сверхмассивной черной дыры" . Письма в астрофизический журнал . 875 (1): L1. arXiv : 1906.11238 . Bibcode : 2019ApJ ... 875L ... 1E . DOI : 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. Bibcode : 1958MNRAS.118..276J . DOI : 10.1093 / MNRAS / 118.3.276 .
  3. ^ "ICRF" . Центр IERS ICRS . Парижская обсерватория . Проверено 25 декабря 2018 года .
  4. ^ "Международная небесная справочная система (ICRS)" . Военно-морская обсерватория США . Проверено 25 декабря 2018 года .
  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 . Проверено 22 марта 2019 года .
  7. ^ Клери, Daniel (10 апреля 2019). «Впервые вы можете увидеть, как выглядит черная дыра» . Наука . AAAS . Проверено 10 апреля 2019 года .
  8. ^ «Очень длинный базовый массив (VLBA)» . Национальная радиоастрономическая обсерватория . Архивировано из оригинала на 11 июня 2012 года . Проверено 30 мая 2012 года .
  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 2016 года по компьютерному зрению и распознаванию образов (CVPR) . С. 913–922. arXiv : 1512.01413 . DOI : 10.1109 / CVPR.2016.105 . ЛВП : 1721,1 / 103077 . ISBN 978-1-4673-8851-1. S2CID  9085016 .
  11. Рианна Уэбб, Джонатан (8 января 2016 г.). «Снимок горизонта событий должен быть сделан в 2017 году» . bbc.com . BBC News . Проверено 22 октября 2017 .
  12. ^ "Астрономы демонстрируют глобальный Интернет-телескоп" . Проверено 6 мая 2011 .
  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 . DOI : 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 . DOI : 10.1016 / j.jog.2012.07.007 . ЛВП : 2060/20140005985 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Оптоволоконная антенная решетка радиотелескопов E-MERLIN, используемая в РСДБ-наблюдениях
  • EXPReS Express Production Служба e-VLBI в реальном времени: трехлетний проект (оценка в марте 2006 г.), финансируемый Европейской комиссией, по разработке межконтинентального инструмента e-VLBI, доступного для научного сообщества.
  • JIVE Объединенный институт РСДБ в Европе
  • Международная служба РСДБ по геодезии и астрометрии (IVS)
  • IVSOPAR: центр анализа РСДБ при Парижской обсерватории
  • «РСДБ - роль Канады»