Радиотелескоп размером с Землю и больше…

1. Радиотелескоп размером с Землю и больше…

2. Антенна КарлаЯнского - 1931 (Реконструкция в Грин Бенк)

3. Со времен Галилея наблюдательная астрономия преследует две цели: Разрешение – насколько малые детали видимы в удаленных объектах Чувствительность – насколько хорошо видимы слабые объекты

4. Чем определяется чувствительность? • Чувствительность астрономического инструмента определяется: • Количествомпринятой энергии • Размером собирающей поверхности (размером апертуры) • Шириной спектра частот принимаемого сигнала • Шумамиприемной системы

5. Чем определяется разрешение? Мы являемся заложниками фундаментальной физики, которая утверждает……. Угловое разрешение приближенно равно* λ (радианы) D где λ = длина волны D = размер апертуры * Только для когерентной апертуры; хуже для некогерентной апертуры

6. 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 кмна поверхности Луны) Телескоп 10 м→ ~0.01 arcsec(но ограничен атмосферой ~0.2 arcsec) Телескоп Хаббл (2.4 м) → ~0.05 arcsec (~100 мна поверхности Луны)

7. λ λ λ λ 100 мтелескоп λ=1cm→ ~20 arcsec (Юпитер ~40 arcsec) D D D D VLA (~35 км)λ=1cm → ~0.1 arcsec (~2 кмна поверхности Луны; ~2 мна расстоянии 5000 км) 10000 кмтелескопλ=1cm→ ~200 micro-arcsec (~40 смна поверхности Луны; ~5 ммна 5000 km) 5000 кмтелескопλ=1mm → ~40 micro-arcsec (~8 смна поверхности Луны; ~0.1 ммрасстоянии 1000 км; 35 диаметров Солнцана расстоянии 25000 св.лет) Разрешение радиотелескопов

8. Как построить радиотелескоп диаметром 10 000 км? • Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ) • Как (коротко)? • Разместить телескопыво многих местахна Земле • Установить на каждоматомные часы • Наблюдатьодин и тот же источник, одновременно,натой же частоте, с той же поляризацией • Переслать данныев центр обработки (обычно записывается и пересылается на носителе) • Синтезировать телескоп размером с Землю на компьютере

9. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ)

10. Российская РСДБ сеть КВАЗАР-КВО Калининград Обсерватория « Светлое» С.-Петербург 2014.7 км Краснознаменск Менделеево 4281.7 км 6185.1 км 6521.3км Обсерватория«Зеленчукская» Обсерватория «Бадары» 4404.9км 2337.0км Уссурийск

11. Антенны РСДБ в мире

12. РСДБ для астрономии • Самое высокое разрешение, доступноедля астрономов (и не только!) – десятки угловых микросекунд • Позволяет детально исследоватьсамыеудаленные объекты – квазары, гравитационные линзы, гамма-всплески,а такжечерную дырув центре Млечного Пути

13. NGC6251Расстояние 350 Mly = 107 Mpc Изображениес одиночного радиотелескопа(1 Mpc → 30 arcmin) Изображение на VLA (100 kpc → 3 arcmin) Изображение РСДБ(1 pc → 2 milli-arcsec) Увеличение 1000000 раз!

14. Галактика NGC4258 - доказательство существования массивной черной дыры в центре с массой ~36 миллионов масс Солнца!- расстояние ~20 миллионов световых лет

15. Достижение горизонта событий: центр галактики • РадиоисточникЦентавр A обозначает положение сверхмассивной черной дыры (~4 млн.масс Солнца) в центре галактики: • Собственное движениеЦентавр 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

16. РСДБ на миллиметровых и субмиллиметровых волнах • Позволяет увидеть исследуемые объекты сквозь пыль и газвокруг них, что недоступно на более длинных волнах • Самое высокое разрешение, когда-либо достигнутое (десятки угловых микросекунд) • Объекты наблюдений более слабые, чтотребует очень широких полос частот и потоков данныхдля достижения приемлемого отношения сигнал/шум • Атмосфера ограничивает когерентностьдо 10-30 с • Чрезвычайно сложная техническая реализация Открывает возможность исследования черной дыры в центре нашей галактики!

17. 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

18. Дифференциальная РСДБ для сопровождения аппаратов в дальнем космосе • Сопровождает космический аппаратв 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 прекращены в НАСАв 1980-х;возобновлены после потери двух аппаратов на Марсе • Спасла миссиюзонда Гюйгенс к спутнику Сатурна Титану

19. 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

20. Принцип геодезической РСДБ Измерение задержки сигнала с точностью несколько пикосекунд(3 пс =1 мм)

21. РСДБ измерения дрейфа континентов • Движение земной коры: • Смещения при землетрясениях • Движение тектонических плит

22. Прямые РСДБ измерения движения тектонических плит

23. Колебания Земной оси

24. Угловой момент атмосферы и длительность суток • - Солнце влияет на земную погоду • - Погода влияет на угловой момент атмосферы • - Угловой момент атмосферы передается на твердую Землю

25. 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

26. 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

27. 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

28. Все выигрывают от улучшения чувствительности • Астрономия • Число наблюдаемых источниковвозрастает экспоненциальнопри улучшении предела чувствительности; можно заглянуть дальше в прошлое • Лучше чувствительность→меньше шумов→лучше изображения • Геодезия и геофизика • Лучше распределениена небе доступных точечных источников улучшает небесную систему координат • Сопровождение аппаратов в дальнем космосе • Позволяет найти слабые опорные источникиблизко к положению аппарата для улучшения точности сопровождения

29. 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

30. Способы повышения чувствительности • Большие антенны, но их стоимость растет как D2.7 • Малошумящие приемники, но многие приемники уже достигли квантового предела или уровня ниже шумов атмосферы • 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!

31. Какие данные записываются? Ответ: Точно привязанные по времени отсчеты чистого шума − чистыйбелый,Гауссов шум! Интересный факт: Обычно сигнал оцифровывается как1 или 2 бит на отсчет Важное следствие: Данныене сжимаются! Другое важное следствие: Если потеряно небольшое количество данных, это обычно не проблема!

32. Кросс-корреляция слабыхшумовых сигналов • Пусть s(t) слабый астрономический сигнал, а n1(t) и n2(t) шумовые сигналы с пунктов 1 и 2 Шум приемника 1n1(t) Шум приемника 2n2(t) Сигнал s(t)

33. Кросс-корреляция слабых сигналов • Произведение сигналов: (s + n1) (s + n2) = s2 + n1s + n2s + n1n2 • В реальности, все сложнее из-за вращения Земли: • - Задержка сигналов непрерывно меняется • - Дифференциальный доплеровский сдвиг непрерывно меняется

34. 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 • Глобальныйэксперимент 10 станций 4 Гбит от станции  до~400 TB в день • Один 10-дневныйэксперимент – до ~4 PB • Большие потоки (8-32 Гбит/с) уже на горизонте; больше потоки →лучше чувствительность • Существующие дисковые носители могут обеспечить тольконесколько днейнаблюдений с такими потоками • Всепарныекомбинации телескопов должны быть обработаны

35. Традиционно, эти данные пересылаютсяв центр обработки ….но это требует времени и использования большого количества дорогих носителей информации

36. Начало«e-РСДБ»:электронная передача данных РСДБ • Конечно, идея не новая, но только недавно ставшая экономически доступной и практически применимой • 1977 – В Канаде через спутникпередали данные в реальном времени из Грин Бенк в Алгонкин с потоком20 Mбит/с (впечатляет для того времени!) • 1979 – В Хайстэке разрабатывается коррелятор квазиреального времени с передачей данных с потоком1200 бит/счерез телефонный модем • 1990-е гг. – В Японии создается специализи-рованная сеть из 4-х станций вокруг Токио, работающая на скорости 256 Mбит/счерез выделенные оптоволоконные линии

37. Линии связи в Европе 1 Gbps 155 Mbps (Courtesy JIVE)

38. Что будет с РСДБ в будущем? • Астрономия: Переход на миллиметровые и субмиллиметровые волны, получение более четких изображений более далеких объектов • Геодезия: Глобальнаяточность измерений 1мм (Проект GGOS) • Высокоскоростные потоки данных–10-100 Гбит/с от станции • Новые глобальные сети радиотелескоповс беспрецедентными размерами и чувствительностью • Новые приложения в дальнем космосе

39. Наземно-космический интерферометр – радиотелескоп размером больше Земли • VSOP (Япония) – 1997-2003 гг. • Радиоастрон (Россия) – запущен в 2011 г.

40. 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

41. 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 физическихпараметров ядер галактик от красного смещения объектов;эффекты темной материи и темнойэнергии. • Области формирования звёзд и ланетных систем, мазеры иМегамазеры. • Черные дыры звездных масс инейтронные звезды. • Межзвездная и межпланетная материя. • Проверка эффектов ОТО.

42. Управление космическим радиотелескопом и обработка данных

43. Спасибо за внимание! Обсерватория «Бадары»