Transcript (РСДБ) С.
Радиотелескоп размером с Землю и больше…
Антенна Карла Янского - 1931
( Реконструкция в Грин Бенк)
Со времен Галилея наблюдательная астрономия преследует две цели:
Разрешение – насколько малые детали видимы в удаленных объектах Чувствительность объекты – насколько хорошо видимы слабые
Чем определяется чувствительность?
Чувствительность астрономического инструмента определяется: • Количеством принятой энергии • – Размером собирающей поверхности ( размером апертуры) – Шириной спектра частот принимаемого сигнала Шумами приемной системы
Чем определяется разрешение?
Мы являемся заложниками фундаментальной физики, которая утверждает…….
Угловое разрешение приближенно равно* где λ = длина волны D = размер апертуры
λ D ( радианы) *
Только для когерентной апертуры; хуже для некогерентной апертуры
Разрешение оптических телескопов
Глаз человека → ~60 arcsec = 1 arcmin ( диаметр Солнца ~30 arcmin) Телескоп Галилея → ~4 arcsec ( диаметр Юпитера ~40 arcsec) Телескоп 10 см → ~1 arcsec (~2 км на поверхности Луны) Телескоп 10 м → ~0.01 arcsec ( но ограничен атмосферой ~0.2 arcsec) Телескоп Хаббл (2.4 м) → ~0.05 arcsec (~100 м на поверхности Луны)
Разрешение радиотелескопов
100 м телескоп λ=1cm → ~20 arcsec
D
( Юпитер ~40 arcsec) VLA (~35 км) λ=1cm → ~0.1 arcsec
D
(~2 км на поверхности Луны; ~2 м на расстоянии 5000 км) 10 000 км телескоп λ=1cm→ ~200 micro-arcsec
D
(~40 см на поверхности Луны; ~5 мм на 5000 km) 5 000 км телескоп λ=1mm → ~40 micro-arcsec
D
(~8 см на поверхности Луны; ~0.1 мм расстоянии 1000 км; 35 диаметров Солнца на расстоянии 25 000 св.лет)
Как построить радиотелескоп диаметром 10 000 км?
• Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ) • Как (коротко)?
• Разместить телескопы • Установить на каждом • Наблюдать во многих местах атомные часы один и тот же источник , на Земле одновременно, на той же частоте , с той же поляризацией • Переслать данные записывается и пересылается на носителе) • Синтезировать телескоп размером с Землю на компьютере в центр обработки ( обычно
Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ)
Российская РСДБ сеть КВАЗАР-КВО Калининград С.-Петербург Обсерватория « Светлое» Обсерватория «Зеленчукская» Обсерватория «Бадары» Уссурийск
Антенны РСДБ в мире
РСДБ для астрономии
• Самое высокое разрешение, десятки угловых микросекунд доступное для астрономов (и не только!) – • Позволяет детально исследовать самые удаленные объекты – квазары, гравитационные линзы, гамма-всплески, а также черную дыру в центре Млечного Пути
NGC6251 Расстояние 350 Mly = 107 Mpc Изображение с одиночного радиотелескопа (1 Mpc → 30 arcmin) Изображение на VLA (100 kpc → 3 arcmin) Изображение РСДБ (1 pc → 2 milli-arcsec) Увеличение 1 000 000 раз!
Галактика NGC4258 доказательство существования массивной черной дыры в центре с массой ~36 миллионов масс Солнца!
расстояние ~20 миллионов световых лет
Достижение горизонта событий: центр галактики
Радиоисточник Центавр A обозначает положение сверхмассивной черной дыры (~4 млн. масс Солнца) в центре галактики:
– Собственное движение Центавр A мало, и мы видим окружающие звезды, вращающиеся вокруг невидимой массы.
Ghez et al 2005 • Измерение орбит окружающих звезд показывает, что масса черной дыры 4 миллиона масс Солнца!
• Для определения размеров черной дыры были проведены РСДБ наблюдения на волне 1 мм
РСДБ на миллиметровых и субмиллиметровых волнах
Самое высокое разрешение , когда-либо достигнутое (десятки угловых микросекунд) Позволяет увидеть исследуемые объекты сквозь пыль и газ вокруг них, что недоступно на более длинных волнах Объекты наблюдений более слабые, что требует очень широких полос частот и потоков данных для достижения приемлемого отношения сигнал/шум Атмосфера ограничивает когерентность до 10-30 с Чрезвычайно сложная техническая реализация Открывает возможность исследования черной дыры в центре нашей галактики!
РСДБ на 230 ГГц: апрель 2007 SMTO, JCMT/SMA, CARMA
•Первые успешные РСДБ-наблюдения на трех станциях в диапазоне 230 ГГц (длина волны 1мм) • Рекордное разрешение на базах с Гавайями ~40 угл. мкс • Предельно сложные наблюдения
Дифференциальная РСДБ для сопровождения аппаратов в дальнем космосе
• Сопровождает космический аппарат в 2-х измерениях , определяя разность положений с близким (обычно очень слабым) квазаром • Совместно с традиционным измерением дальности по задержке сигнала дает трехмерное положение • Работы были возобновлены после потери двух аппаратов на Марсе прекращены в НАСА в 1980-х; • Спасла миссию Титану зонда Гюйгенс к спутнику Сатурна
РСДБ для геодезии
• Самый высокоточный (несколько мм) метод, существующий для измерений глобальной тектоники • Параметры вращения Земли важны для военной и гражданской навигации • Фундаментальная калибровка спутниковой группировки ГНСС в небесной системе координат • Измерения с высоким пространственным и временным разрешением для изучения внутреннего строения Земли
Принцип геодезической РСДБ
Измерение задержки сигнала с точностью несколько пикосекунд (3 пс =1 мм)
Движение земной коры:
– Смещения при землетрясениях – Движение тектонических плит
РСДБ измерения дрейфа континентов
Прямые РСДБ измерения движения тектонических плит
Колебания Земной оси
Угловой момент атмосферы и длительность суток
Солнце влияет на земную погоду Погода влияет на угловой момент атмосферы Угловой момент атмосферы передается на твердую Землю
Проект VGOS
Цели проекта: измерения глобальных положений антенн с точностью 1 мм за сутки измерения движений до 0.1 мм/год непрерывный мониторинг положения Земли в пространстве менее суток от наблюдений до получения результатов от 20 до 40 станций во всем мире участвуют ~20 стран
VGOS – главные источники ошибок Случайные ошибки: переменность атмосферы ( включая содержание водяного пара) уход и нестабильность часов отношение сигнал/шум при наблюдениях Систематические ошибки: структура источников инструментальные погрешности деформации антенн нестабильности антенн
VGOS – как победить эти ошибки
Случайные ошибки: переменность атмосферы ►
перемещать антенну быстро насколько возможно с источника на источник
уход и нестабильность часов ►
применение высококачественных водородных стандартов частоты
отношение сигнал/шум при наблюдениях ►
наблюдать в широких полосах частот с малошумящими приемниками
Систематические ошибки: структура источников инструментальные погрешности деформации антенн нестабильности антенн
Все выигрывают от улучшения чувствительности
• • •
Астрономия
• Число наблюдаемых источников возрастает экспоненциально при улучшении предела чувствительности; можно заглянуть дальше в прошлое • Лучше чувствительность изображения → меньше шумов →
Геодезия и геофизика
лучше • Лучше распределение на небе доступных точечных источников улучшает небесную систему координат
Сопровождение аппаратов в дальнем космосе
• Позволяет найти положению аппарата для улучшения точности сопровождения слабые опорные источники близко к
Отличительные признаки РСДБ
•
Главные свойства РСДБ:
• Стремление к предельной чувствительности; Лучше чувствительность → меньше шумов → лучше измерения • Сверхстабильные часы и стандарты частоты; особенно для геодезической и коротковолновой РСДБ • Огромные объемы сохраняемых и обрабатываемых данных
Способы повышения чувствительности
• Большие антенны , но их стоимость растет как D 2.7
• Малошумящие приемники шумов атмосферы , но многие приемники уже достигли квантового предела или уровня ниже • Широкие полосы частот – – – Чувствительность улучшается как квадратный корень от полосы принимаемых частот Расширение полосы частот обычно самый доступный способ улучшения чувствительности Как результат, в РСДБ всегда применяются самые высокие достижения в технологии записи данных!
Какие данные записываются?
Ответ: Точно привязанные по времени отсчеты чистого шума − чистый белый, Гауссов шум !
Интересный факт: Обычно сигнал оцифровывается как 1 или 2 бит на отсчет Важное следствие: Данные не сжимаются !
Другое важное следствие: Если потеряно небольшое количество данных, это обычно не проблема!
Кросс-корреляция слабых шумовых сигналов
Пусть s(t) слабый астрономический сигнал, а n 1 (t) и n 2 (t) шумовые сигналы с пунктов 1 и 2 Шум приемника 1 n 1 (t) Шум приемника 2 n 2 (t) Сигнал s(t)
Кросс-корреляция слабых сигналов
Произведение сигналов: (s + n 1 ) (s + n 2 ) = s 2 + n 1 s + n 2 s + n 1 n 2 В реальности, все сложнее из-за вращения Земли: Задержка сигналов непрерывно меняется Дифференциальный доплеровский сдвиг непрерывно меняется
Объемы и потоки данных в РСДБ ─ не для слабонервных!
– – – –
Астрономические эксперименты 1-4 Гбит/с от станции, от 4 до 20 станций
– ~ 5-40 TB от станции в день – – Глобальный эксперимент 10 станций 4 Гбит от станции до ~400 TB в день Один 10-дневный эксперимент – до ~4 PB
Большие потоки ( 8-32 Гбит/с ) уже на горизонте; больше потоки → лучше чувствительность Существующие дисковые носители могут обеспечить только несколько дней наблюдений с такими потоками Все парные обработаны комбинации телескопов должны быть
Традиционно, эти данные пересылаются в центр обработки ….но это требует времени и использования большого количества дорогих носителей информации
Начало «e-РСДБ»: электронная передача данных РСДБ
• • • Конечно, идея не новая , практически применимой но только недавно ставшая экономически доступной и
1977
– В Канаде через потоком 20 M бит/с ( спутник передали данные в реальном времени из Грин Бенк в Алгонкин с впечатляет для того времени!)
1979
– В Хайстэке разрабатывается коррелятор квазиреального времени с передачей данных с потоком 1200 бит/с через телефонный модем
1990 е гг.
– В Японии создается специализи рованная сеть из 4-х станций вокруг Токио, работающая на скорости 256 M бит/с через выделенные оптоволоконные линии
155 Mbps
(Courtesy JIVE) Линии связи в Европе
1 Gbps
Что будет с РСДБ в будущем?
Астрономия: Переход на миллиметровые и субмиллиметровые волны, получение более четких изображений более далеких объектов Геодезия: Глобальная 1мм (Проект GGOS) точность измерений Высокоскоростные потоки данных – 10-100 Гбит/с от станции Новые глобальные сети радиотелескопов беспрецедентными размерами и чувствительностью с Новые приложения в дальнем космосе
Наземно-космический интерферометр – радиотелескоп размером больше Земли
•VSOP ( Япония) – 1997-2003 гг.
•Радиоастрон (Россия) – запущен в 2011 г.
Проект «Радиоастрон»
•Диаметр антенны 10 м •База до 350 000 км •Период орбиты 7 10 дней •Диапазоны длин волн 1.35, 6.2, 18 и 92 см •Угловое разрешение до 1 мкс дуги •Полоса регистрации 128 мбит/с
Цели исследований по проекту «Радиоастрон»
• Ядра галактик, сверхмассивные черные дыры, горизонт событий, ускорение частиц, предельные яркостные температуры, Фарадеевское вращение, магнитные поля, космические лучи, сверхсветовое движение.
• Космологические эффекты; зависимость различных физических параметров ядер галактик от красного смещения объектов; эффекты темной материи и темной энергии.
• Области формирования звёзд и ланетных систем, мазеры и Мегамазеры.
• Черные дыры звездных масс и нейтронные звезды.
• Межзвездная и межпланетная материя.
• Проверка эффектов ОТО.
Управление космическим радиотелескопом и обработка данных
Спасибо за внимание!
Обсерватория «Бадары»