Làm thế nào Arecibo phát hiện các hồ mêtan trên Titan và hình ảnh các vành đai của Sao Thổ?

Câu trả lời này cho khoảng cách xa nhất đến một vật thể trong hệ mặt trời được đo bằng radar? đề cập đến các vành đai của Sao Thổ và bài đăng trên Đài thiên văn Arecibo, Puerto Rico - Kính viễn vọng vô tuyến lớn nhất thế giới trong hơn 50 năm đề cập:

Trong số những thành tựu khác của Đài thiên văn Arecibo là:

• Hình ảnh trực tiếp của một tiểu hành tinh lần đầu tiên trong lịch sử.
• Khám phá các mỏ nước đá ở các cực của Sao Thủy.
• Theo dõi các tiểu hành tinh gần Trái đất để theo dõi rủi ro tác động.
• Vẽ bản đồ bề mặt phủ mây của Sao Kim.
• Hình ảnh radar của các vành đai Sao Thổ, tiết lộ chi tiết mới về cấu trúc vòng.
• Phát hiện đầu tiên về hồ metan trên Titan, mặt trăng của Sao Thổ.
• Phát hiện đầu tiên của một tiểu hành tinh với mặt trăng.

Câu hỏi: Làm thế nào Arecibo phát hiện các hồ mêtan trên Titan và hình ảnh các vành đai của Sao Thổ? Đây là những chiến công khá đáng chú ý từ Trái đất cho một kính phóng xạ duy nhất. Họ đã làm thế nào? Các trích dẫn có thể được tìm thấy và các ví dụ về hình ảnh của các vòng và bằng chứng hồ mêtan được hiển thị?

Titan "hồ":

Xuất bản truy cập mở trong khoa học: Bằng chứng radar cho các bề mặt chất lỏng trên Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM, và Ostro, SJ, Science 302 , 5644, trang 431-434, 17 tháng 10 năm 2003 DOI: 10.1126 / khoa học. 1088969

Đây là một thử nghiệm thực sự thanh lịch! Một sóng 13 cm liên tục, không điều chế, phân cực tròn được phát từ Arecibo về phía hệ thống Sao Thổ / Titan và sự dịch chuyển Doppler được sử dụng để cách ly tín hiệu trả về từ Titan.

Hầu hết bề mặt đều gồ ghề, do đó có tín hiệu được trả về từ các khu vực trên đĩa Titan và do mặt trăng quay, mặc dù chậm, năng lượng được trả lại từ hai bên "trái" và "phải" được chuyển sang tần số cao hơn và thấp hơn.

Tuy nhiên, trong một số thời điểm quan sát, có sự phản xạ rất mạnh và rõ rệt với sự dịch chuyển Doppler bằng 0 đối với vận tốc hướng tâm đã biết của Titan, và đỉnh này được quy cho sự phản xạ vật lý. Kiểm tra độ phân cực nhận được xác nhận rằng trong khi năng lượng từ bề mặt gồ ghề được trả về ở cả trạng thái phân cực tròn, thành phần vật liệu giả định chỉ ở trạng thái phân cực tròn dự kiến.

Như đã chỉ ra trong câu trả lời chu đáo của @Martin Kochanski, không có quyết định nào từ quan sát radar rằng sự phản xạ vật lý được trả lại đến từ khí mê-tan. Đây chỉ đơn giản là một thành phần được cho là của các hồ giả định, dựa trên thông tin đã biết về hóa học của Titan vào thời điểm đó (2003).

Chúng tôi đã quan sát Titan vào 16 đêm vào tháng 11 và 12/2001 và 9 đêm vào tháng 11 và 12/2002, truyền ở bước sóng 13 cm bằng kính viễn vọng Arecibo 305 m và nhận được tiếng vang với Arecibo. Thời gian quay và quỹ đạo của Titan là 15,9 ngày và các quan sát năm 2001 của chúng tôi đã thu được ở khoảng cách đồng nhất 22,6 ° (∼800 km) theo kinh độ. 9 quan sát trong năm 2002 không cung cấp bảo hiểm thống nhất. Vĩ độ của đường ray dưới là 25,9 ° S vào năm 2001 và 26,2 ° S vào năm 2002, chuyến đi xa nhất về phía nam. Thời gian ánh sáng khứ hồi tới hệ thống Sao Thổ trong các lần quan sát là 2 giờ 15 phút và thời gian theo dõi hạn chế của kính viễn vọng Arecibo có nghĩa là việc thu tín hiệu bị giới hạn ở ∼30 phút mỗi ngày, tương ứng với 0,5 ° vòng quay Titan (20 km chuyển động của điểm dưới). Vào một đêm năm 2001 và trong hầu hết các quan sát năm 2002 (cũng như các lần quan sát khác khi chúng tôi đang thử các phép đo khác nhau với Titan), Kính thiên văn Ngân hàng Xanh (GBT) dài 100 m cũng được sử dụng để nhận được tiếng vang cho chuyến đi khứ hồi thời gian. Những dữ liệu này có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm thấp hơn so với dữ liệu thu được bằng Arecibo nhận được tiếng vang, nhưng thời gian nhận lâu hơn tương ứng với vòng quay Titan 2.1 ° cho phép nghiên cứu nhiều địa điểm hơn.

Đây là một số dữ liệu Titan:

Hình 3. Phổ tiếng vang của radar OC ở độ phân giải 1.0 Hz cho quan sát năm 2002 ở kinh độ dưới 80 °. Mặt cắt chuẩn hóa cho thành phần đặc trưng của tiếng vang và độ dốc RMS lần lượt là 0,023 và 0,2 °.

Bấm vào để xem kích thước đầy đủ

Hình 1. Quang phổ radar của Arecibo từ dữ liệu năm 2001 cho năm kinh độ dưới mặt đất trên Titan. Phổ được hiển thị cho cả cảm giác (OC) dự kiến ​​về phân cực tròn nhận được và cảm giác phân cực chéo (SC). Các sắc lệnh là trong độ lệch chuẩn của tiếng ồn. Băng thông mở rộng Doppler chân tay cho Titan là 325 Hz. Bốn trong số phổ OC cho thấy bằng chứng của một thành phần đầu cơ ở 0 Hz.

Các vành đai của sao Thổ "được tạo hình" (độ trễ-Doppler):

Từ hình ảnh Radar của các vành đai Sao Thổ, Nicholson, PD và cộng sự, Icarus 177 (2005) 32 cạn62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

"Hình ảnh" bên dưới không phải là hình ảnh thông thường, vì đĩa Arecibo không có cách nào giải quyết không gian theo chiều ngang của Sao Thổ và các vành đai của nó. Đó là hình ảnh "delay-Doppler", sử dụng các radar phát sóng 12,6 cm, ~ 500 kW được truyền bởi Arecibo. Thời gian ánh sáng khứ hồi là khoảng 135 phút. Bởi vì Arecibo đã hạn chế lái khỏi thiên đỉnh (<19,7 độ) Saturn tối đa chỉ có sẵn cho món ăn trong 166 phút ngay cả trong điều kiện lý tưởng.

Trục dọc cho thấy độ trễ khoảng +/- 800 mili giây thể hiện độ phân giải không gian, nhưng theo hướng xuyên tâm hoặc chiều sâu. Trục ngang là dịch chuyển Doppler. Sự thay đổi +/- 300 kHz đại diện cho tốc độ quỹ đạo của các hạt trong các vòng.

Trong khi phản xạ vật thể Titan ở trên được thực hiện bằng chùm tia liên tục hoặc CW, kỹ thuật hình ảnh độ trễ doppler yêu cầu điều chế tần số của chùm tia với mô hình nhảy tần. Bằng cách áp dụng hàm tương quan bằng cách sử dụng mẫu đã biết cho các tín hiệu nhận được ghi lại, các thành phần có thời gian trả lại khác nhau và các dịch chuyển Doppler khác nhau có thể được trích xuất và kết quả sau đó được hzstogram, tạo ra hình ảnh Doppler trễ bên dưới.

Đây là một kỹ thuật tiêu chuẩn và đã được sử dụng để hình ảnh các hành tinh và tiểu hành tinh khác: Xem các mục và tham chiếu sau trong:

• Câu trả lời này cho Điều gì gây ra sự mơ hồ Bắc-Nam khi mà doppler radar chụp ảnh đường xích đạo trên bề mặt hành tinh?
• Tại sao các bản đồ radar của bề mặt Sao Kim bị thiếu các lát cắt?
• Hình học vật lý của nhật thực rõ ràng này là gì về một mặt trăng nhỏ của tiểu hành tinh Florence?
• Có phải hình ảnh radar độ trễ doppler của các tiểu hành tinh NEO chỉ có thể nếu nó quay đủ nhanh?

Hình 2. Hình ảnh Doppler Delay từ được xây dựng từ dữ liệu thu được trong (a) tháng 10 năm 1999, (b) tháng 11 năm 2000, (c) tháng 12 năm 2001 và (d) tháng 1 năm 2003. Cả hai phân cực OC và SC được kết hợp để tối đa hóa tín hiệu tỷ lệ tiếng ồn. Lưu ý bốn vùng sáng trong mỗi hình ảnh trong đó các ô trễ và các ô Doppler song song và ở đó các vòng A và B xuất hiện để giao nhau.

Nó không phát hiện ra hồ mêtan.

Nó phát hiện ra rằng Titan rất sáng bóng (theo thuật ngữ radar): nghĩa là các phản xạ là từ một bề mặt nhẵn chứ không phải là một bề mặt gồ ghề, đồng thời không dữ dội lắm.

Kết quả là (trích dẫn bài báo Khoa học mới năm 2003 Radar tiết lộ các hồ mêtan của Titan được liên kết trong một trong những ý kiến ​​cho câu hỏi của bạn), một số nhà nghiên cứu tin rằng đây là những hồ mêtan, ngồi trong các miệng hố va chạm. Các nhà nghiên cứu khác có thể nghĩ ra những cách giải thích khác nhau.

Nếu chúng ta biết, từ những bằng chứng và lý luận khác hoặc chỉ bằng cách loại bỏ, rằng có những hồ mêtan trên Titan, thì Arecibo có thể tuyên bố đã nhìn thấy chúng. Nhưng bản thân nó không cung cấp bằng chứng nào cho thấy chúng là mêtan hay thậm chí chúng là hồ.

Tương tự, nếu ai đó đã phóng kính viễn vọng không gian vào năm 1961 và tạo ra hình ảnh màu sắc chất lượng cao của Sao Hỏa, họ có thể đã tuyên bố, theo nguyên tắc Arecibo, Phát hiện lần đầu tiên về chu kỳ thực vật theo mùa trên Sao Hỏa, vì vào thời điểm đó, hầu hết các nhà khoa học tin rằng đó là những gì thay đổi màu sắc theo mùa.