Jak Arecibo wykrył jeziora metanu na Tytanie i zobrazował pierścienie Saturna?

Ta odpowiedź na najdalszą odległość od obiektu Układu Słonecznego mierzoną przez radar? wspomina, że ​​pierścienie Saturna oraz Obserwatorium Arectu Travel Arecibo Observatory, Puerto Rico - Największy na świecie radioteleskop od ponad 50 lat wspomina:

Do innych osiągnięć Obserwatorium Arecibo należą:

• Bezpośrednie obrazowanie asteroidy po raz pierwszy w historii.
• Odkrycie osadów lodu wodnego na biegunach Merkurego.
• Śledzenie planetoid bliskich Ziemi w celu monitorowania ryzyka zderzenia.
• Mapowanie pokrytej chmurami powierzchni Wenus.
• Obrazowanie radarowe pierścieni Saturna, ujawniające nowe szczegóły struktury pierścienia.
• Pierwsze wykrycie jezior metanowych na Tytanie, księżycu Saturna.
• Pierwsze wykrycie asteroidy z księżycem.

Pytanie: Jak Arecibo wykrył jeziora metanu na Tytanie i zobrazował pierścienie Saturna? Są to dość niezwykłe wyczyny z Ziemi dla pojedynczego radioteleskopu. Jak oni to zrobili? Czy można znaleźć cytaty i przedstawić przykłady obrazu pierścieni i dowodów jeziora metanowego?

„Jeziora” Tytana:

Opublikowany otwarty dostęp w nauce: dowody radarowe dla ciekłych powierzchni na Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM i Ostro, SJ, Science 302 , 5644, str. 431-434, 17 października 2003 DOI: 10.1126 / science. 1088969

To był naprawdę elegancki eksperyment! Ciągła, niemodulowana, kołowo spolaryzowana fala 13 cm była emitowana z Arecibo w kierunku układu Saturn / Tytan, a przesunięcie Dopplera zastosowano do izolacji zwróconego sygnału z Tytana.

Większa część powierzchni jest nierówna, więc sygnał powraca z obszarów na całym dysku Tytana, a ponieważ księżyc obraca się, choć powoli, moc zwrócona z „lewej” i „prawej” strony jest przesunięta na wyższe i niższe częstotliwości.

Jednak w niektórych okresach obserwacji występowało bardzo silne i wyraźne odbicie z zerowym przesunięciem Dopplera w stosunku do znanej prędkości promieniowej Tytana, a pik ten przypisuje się odbiciu lustrzanemu. Kontrole otrzymanej polaryzacji potwierdzają, że podczas gdy moc z szorstkiej powierzchni jest zwracana w obu stanach polaryzacji kołowej, przypuszczalny składnik lustrzany znajduje się tylko w oczekiwanym stanie polaryzacji kołowej.

Jak wskazano w rozważnej odpowiedzi Martina Kochańskiego, z obserwacji radaru nie wynika, że ​​odbite odbicie lustrzane pochodzi z metanu. Jest to po prostu domniemany składnik domniemanych jezior, w oparciu o znane informacje o chemii Tytana w tamtym czasie (2003).

Obserwowaliśmy Tytana 16 nocy w listopadzie i grudniu 2001 r. Oraz 9 nocy w listopadzie i grudniu 2002 r., Transmitując przy długości fali 13 cm za pomocą teleskopu Arecibo 305 m i odbierając echo za pomocą Arecibo. Okresy rotacji i orbity Tytana wynoszą 15,9 dnia, a nasze obserwacje w 2001 r. Zostały uzyskane przy jednolitej długości 22,6 ° (∼800 km). 9 obserwacji w 2002 r. Nie zapewniało jednolitego zasięgu. Szerokość toru podziemnego wynosiła 25,9 ° S w 2001 r. I 26,2 ° S w 2002 r., Co było jego najdalszym wysunięciem na południe. Czas światła w obie strony do układu Saturna podczas obserwacji wynosił 2 godziny 15 minut, a ograniczony czas śledzenia teleskopu Arecibo oznaczał, że odbiór sygnału był ograniczony do około 30 minut dziennie, co odpowiada 0,5 ° obrotu Tytana (20 km ruchu punktu podziemnego). Pewnej nocy w 2001 r. I dla większości obserwacji z 2002 r. (A także innych, gdy próbowaliśmy dokonać pomiarów na odległość do Tytana), 100-metrowy Teleskop Zielonego Banku (GBT) był również używany do odbierania echa podczas pełnej podróży w obie strony czas. Dane te mają niższe stosunki sygnału do szumu niż te otrzymane dla Arecibo odbierającego echo, ale dłuższy czas odbioru odpowiadający 2,1 ° obrotu Tytana pozwolił na zbadanie większej liczby lokalizacji podziemnych.

Oto niektóre dane Titan:

Ryc. 3. Widmo echa radaru OC przy rozdzielczości 1,0 Hz dla obserwacji w 2002 r. Na długości 80 m pod ziemią. Znormalizowany przekrój dla elementu zwierciadlanego echa i nachylenia RMS wynosi odpowiednio 0,023 i 0,2 °.

Kliknij, aby zobaczyć pełny rozmiar

Ryc. 1. Widma echa radaru Arecibo na podstawie danych z 2001 r. Dla pięciu podległych podziemnych długości na Tytanie. Widma pokazano zarówno dla oczekiwanego (OC) odczucia odebranej polaryzacji kołowej, jak i dla odczucia spolaryzowanego krzyżowo (SC). Rzędna jest odchyleniem standardowym hałasu. Rozszerzona szerokość dopplerowska kończyny do kończyny wynosi 325 Hz. Cztery widma OC pokazują składową lustrzaną przy 0 Hz.

„Obrazowane” pierścienie Saturna (opóźnienie-Doppler):

Z obrazowania radarowego pierścieni Saturna Nicholson, PD i wsp., Icarus 177 (2005) 32–62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

„Obraz” poniżej nie jest konwencjonalnym obrazem, ponieważ antena Arecibo nie ma sposobu na przestrzenne rozłożenie poprzecznej przestrzeni Saturna i jego pierścieni. Jest to obraz „opóźnienia dopplerowskiego”, wykorzystujący transmisje radarowe o mocy ~ 12,6 cm ~ 500 kW transmitowane przez Arecibo. Czas światła w obie strony wynosił około 135 minut. Ponieważ Arecibo ma ograniczone sterowanie z dala od zenitu (<19,7 stopnia), maks. Saturn był dostępny dla anteny tylko przez 166 minut, nawet w idealnych warunkach.

Oś pionowa pokazuje opóźnienie około +/- 800 milisekund, co pokazuje rozdzielczość przestrzenną, ale w kierunku promieniowym lub głębokości. Oś pozioma to przesunięcie Dopplera. Przesunięcie +/- 300 kHz reprezentuje prędkość orbitalną cząstek w pierścieniach.

Podczas gdy odbicie lustrzane Tytana powyżej zostało wykonane za pomocą wiązki ciągłej lub CW, technika obrazowania z opóźnieniem dopplerowskim wymaga modulacji częstotliwości wiązki za pomocą wzorca przeskakiwania częstotliwości. Dzięki zastosowaniu funkcji korelacji przy użyciu znanego wzorca do zarejestrowanych odbieranych sygnałów, można wyodrębnić składniki o różnych czasach powrotu i różnych przesunięciach Dopplera, a następnie wyniki są hzstogramowane, wytwarzając obraz opóźnienia Dopplera poniżej.

Jest to standardowa technika, która została wykorzystana do zobrazowania innych planet i planetoid: Zobacz następujące elementy i referencje w obrębie:

• ta odpowiedź na Co powoduje „dwuznaczność Północ-Południe”, gdy radar dopplerowski obrazuje równik powierzchni planety?
• Dlaczego na mapach radarowych powierzchni Wenus brakuje fragmentów?
• Jaka jest fizyczna geometria tego pozornego „zaćmienia” małego księżyca Asteroid Florence?
• Czy obrazowanie radarowe z opóźnieniem Dopplera asteroid NEO jest możliwe tylko wtedy, gdy obraca się wystarczająco szybko?

Ryc. 2. Obrazy opóźnienie – Doppler skonstruowane na podstawie danych uzyskanych w (a) październiku 1999 r., (B) listopadzie 2000 r., (C) grudniu 2001 r. I (d) styczniu 2003 r. Polaryzacje OC i SC zostały połączone, aby zmaksymalizować sygnał do stosunek hałasu. Zwróć uwagę na cztery jasne obszary na każdym obrazie, w których komórki opóźniające i dopplerowskie są równoległe, a pierścienie A i B wydają się krzyżować ze sobą.

Nie wykrył jezior metanowych.

Stwierdzono, że Tytan był błyszczący (w kategoriach radarowych): to znaczy odbicia padały z gładkiej powierzchni, a nie z szorstkiej, a jednocześnie niezbyt intensywnej.

W rezultacie (cytując artykuł New Scientist z 2003 r. Radar ujawnia jeziora metanowe Tytana połączone w jednym z komentarzy do twojego pytania): „ niektórzy badacze uważają, że są to jeziora metanowe, osadzone w kraterach uderzeniowych. „Inni badacze mogą myśleć o różnych wyjaśnieniach.

Gdybyśmy poznali, od innych dowodów i rozumowania, czy tylko przez eliminację, że tam są metanowe jeziora na Tytanie, następnie Arecibo może twierdzić, że widział je. Ale samo w sobie nie dostarcza dowodów na to, że są metanem, a nawet, że są jeziorami.

Podobnie, gdyby ktoś uruchomił teleskop kosmiczny w 1961 r. I wytworzył wysokiej jakości kolorowe obrazy Marsa, mogliby twierdzić, zgodnie z zasadą Arecibo, „Pierwsze wykrycie cyklu wegetacji na Marsie”, ponieważ w tym czasie większość naukowców uważała takie były sezonowe zmiany kolorów.