Arecibo: Avantages du plat géant?

Nov 22 2020

Je suis sûr que vous avez tous entendu parler des événements récents à l'observatoire d'Arecibo et de la décision controversée de fermer l'installation. J'ai également entendu dire qu'Arecibo est le deuxième plus grand observatoire de radio à ouverture unique au monde (en dehors de FAST en Chine).

Cependant, j'ai également entendu dire qu'il est possible de disposer des paraboles afin d'obtenir de bien meilleures performances qu'avec une seule parabole, comme dans des installations comme le Very Large Array et le Square Kilometer Array proposé. Cela me semble être une solution plutôt souhaitable, car il serait plus facile à construire et à pointer qu'un seul télescope géant.

Ma question est la suivante: quels sont les inconvénients de faire cela par rapport à un vrai plat géant comme Arecibo?

PS: Je sais qu'Arecibo peut aussi faire de l'astronomie radar. Mais je suppose que ma question s'étend à cela également. Un réseau de radiotélescopes pourrait-il être modifié pour faire une astronomie similaire, et serait-ce mieux / pire qu'avec une seule parabole?

Réponses

11 uhoh Nov 22 2020 at 07:19

L'astronomie radar des objets du système solaire est activement poursuivie en utilisant FAST, Goldstone 70 m, Greenbank et jusqu'à présent Arecibo (certains en mode réception uniquement) afin d'explorer les astéroïdes lorsqu'ils passent près de la Terre et, espérons-le, ne nous frappent pas. Ils ont même été utilisés pour trouver un vaisseau spatial mort en orbite autour de la lune via la réflexion radar passive!

  • Pourquoi la parabole Green Bank de 100 m était-elle nécessaire avec la parabole Goldstone 70 m de DSN pour détecter Chandrayaan-1 en orbite lunaire?
  • Quel est l'objet le plus éloigné sur lequel nous avons pu renvoyer des signaux à ce jour?
  • Pourquoi Saturne est-elle invisible dans cette image radar de ses anneaux? image cool!
  • Comment Arecibo a-t-il détecté les lacs de méthane sur Titan et a-t-il imaginé les anneaux de Saturne?

C'est donc sur le sujet ici, ainsi que dans Astronomy SE.


Je ne suis pas expert mais j'ajouterai quelques réflexions et accueillerai les contre-arguments.

Recevoir le rapport signal / bruit

Un grand plat a un récepteur frontal à température $T$ qui génère 1 $k_B T \Delta f$de puissance équivalente de bruit ou NEP. Si à la place il y avait 100 plats de 0,1 grand diamètre chacun, la puissance reçue serait la même mais le NEP serait 10 ou 100 fois plus grand. Je pense que c'est seulement 10 fois plus grand, parce que nous devons d'abord ajouter des amplitudes puis des carrés pour une interférométrie cohérente, mais je peux me tromper.

Plusieurs paraboles permettent un faisceau beaucoup plus serré (réception ou émission), ce qui peut décaler la NEP dans certains cas.

Gain

En gardant les surfaces totales égales , la grande parabole et les 100 plats de 0,1 grand diamètre de plat auront le même gain de réception pour une fréquence donnée, en supposant qu'ils aient de simples cornes de réception optimisées pour une réponse limitée par la diffraction pour la parabole qu'ils '' re sur. Quand il y a des réseaux de cornes d'alimentation, cela devient plus compliqué 1 .

La puissance totale reçue d'une direction donnée vers laquelle un tableau est pointé et mis en phase en conséquence est fondamentalement la surface totale de toutes les paraboles, en supposant qu'elles soient toutes orientables comme la plupart des tableaux.

Cependant, pour un seul plat fixe, il y a deux problèmes.

  1. obliquité ou cosinus thêta, puisque les rayons arrivant sous un angle voient une section transversale réduite, qui va bien sûr à zéro à 90 degrés.
  2. ouverture réduite afin de couvrir plus de ciel afin de réduire les aberrations (par exemple sphériques!) Le "S" dans FAST est pour sphérique. "Bien que le diamètre du réflecteur soit de 500 mètres (1 600 pieds), seul un cercle de 300 m de diamètre est utilisé (maintenu dans la forme parabolique correcte et" éclairé "par le récepteur) à tout moment"

Résolution et structure du faisceau

Fait intéressant, les choses sont un peu différentes pour la transmission, et c'est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles les stations au sol de l'espace lointain construisent des antennes simples vraiment géantes sur des plates-formes orientables véritablement géantes au lieu de beaucoup de petites antennes correctement mises en phase.

Alors qu'une parabole à ouverture dure aura un motif de faisceau de disque à peu près Airy . Pour l'amplitude en fonction de l'angle:

$$E(\theta) = E_0 \frac{2 J_1(k a \sin(\theta))}{k a \sin(\theta)}$$

Remarque: j'ai besoin de faire une pause pendant un moment, je le terminerai dès que je pourrai prendre un café, un petit-déjeuner, puis normaliser cela correctement.

Vraisemblablement, nous pouvons avoir un émetteur radio (correctement phasé) avec la même puissance dans une grande parabole ou 100 petites paraboles, car pour une station au sol au sol, il y a beaucoup de puissance.

Cependant, un réseau clairsemé de plats émetteurs générera toujours un diagramme de rayonnement complexe. En plus de la large enveloppe produite par le$\lambda/D_{dish}$ de chaque parabole, la résolution beaucoup plus élevée du tableau total $\lambda/D_{array}$sera vraiment un motif complexe de petites taches. Si nous regardons ALMA ou même des précurseurs comme Meerkat, nous voyons qu'ils essaient de «mélanger» avec une sorte de motif en spirale aléatoire, plutôt qu'un tableau régulier. Pourquoi? Parce que cela atténue partiellement le problème de la structure fine complexe dans le motif de faisceau.

  • Quels 16 emplacements d'antenne ont été utilisés cette image radio MeerKAT?

Ce problème n'est peut-être pas aussi important pour la transmission à un vaisseau spatial dans l'espace lointain, mais il était très important lors du ciblage d'un vaisseau spatial mort près de la Lune (un réflecteur évidemment beaucoup plus grand, bien que d'un décalage doppler différent).

Une seule grande parabole et son modèle de faisceau spatial plus propre sont également importants pour l'imagerie des planètes à l'aide du radar. En utilisant le retard-doppler, on peut imager la surface d'une planète en rotation même si elle n'est pas résolue par la parabole, car chaque latitude exécutera un profil doppler différent lorsqu'elle se déplacera d'abord vers nous, puis s'éloignera de nous. Cependant, il n'y a aucun moyen d'utiliser le Doppler pour différencier les deux hémisphères, car pour les inclinaisons axiales presque perpendiculaires, seule la valeur absolue de la latitude compte. Les astronomes utilisent le modèle de faisceau d'un seul grand plat pour alterner entre l'illumination préférentielle d'un hémisphère, puis l'autre pour générer un contraste d'hémisphère, puis font beaucoup de calcul.

  • Qu'est-ce qui cause «l'ambiguïté Nord-Sud» lors de l'imagerie radar doppler d'un équateur de surface planétaire?
  • Pourquoi les cartes radar de la surface de Vénus ont-elles des tranches manquantes?

Avec la structure fine et désordonnée d'un tableau, cela peut être plus facile ou beaucoup plus difficile, selon la taille et la distance de l'objet et les spécificités du tableau.


Pour plus d'informations sur les problèmes de signaux, consultez les réponses à:

  • Comment calculer le débit de données de Voyager 1? Budget de liaison, bruit, etc.
  • Si un CubeSat de type MarCO était en orbite autour de Bennu, de quel type d'énergie aurait-il besoin pour communiquer avec le Deep Space Network? et est- ce que j'utilise correctement le théorème de Shannon-Hartley et le bruit thermique? Shannon-Hartley etc.
  • Comment un satellite espion espionne un autre satellite? et Comment un satellite espion écoute-t-il un autre satellite? Puissance équivalente au bruit

1 Certaines paraboles, et parfois même des réseaux de paraboles, sont équipés de réseaux plan focal de cornes d'alimentation qui peuvent eux-mêmes participer à l'imagerie interférométrique:

  • Comment les alimentations en réseau phasé du plan focal d'ASKAP interagissent-elles avec l'ensemble du phasage du réseau?
  • Quel est le réseau de plan focal de plus haute granularité sur un radiotélescope parabolique? Ou est-ce le SEUL?
  • Comment le champ de vision d'un radiotélescope est-il déterminé?
5 LorenPechtel Nov 22 2020 at 06:00

Ce n'est pas une situation unique:

  1. Pouvoir de résolution. Ceci est basé sur le diamètre du collecteur et favorise grandement une approche à plateaux multiples car la distance entre les plats compte - deux plats sur les côtés opposés de la planète ont le même pouvoir de résolution qu'un plat de la taille de la planète.

  2. Puissance de collecte de signal. Ceci est basé sur la surface du collecteur et était la vraie force d'Arecibo. Pour correspondre à la capacité d'Arecibo à voir des signaux faibles, il faudrait beaucoup de plats de moindre qualité .

Notez que l'approche à plateaux multiples ajoute énormément de maux de tête par rapport à la route à plat unique. Je ne me souviens pas de la précision requise mais c'est une petite fraction de la fréquence du signal. Cela est nécessaire à la fois spatialement (savoir exactement où se trouve l'équipement) et temporellement. C'est pourquoi cela ne se fait normalement que dans la bande radio - alors qu'en théorie vous pourriez faire la même chose avec des télescopes optiques, j'ai entendu dire que cela ne se faisait que lorsque les miroirs faisaient tous partie d'une même structure.

4 ChristopherJamesHuff Nov 22 2020 at 06:06

Sensibilité: dans un monde idéal, vous devez augmenter le nombre de nœuds dans un tableau de 2 ordres de grandeur pour augmenter la sensibilité d'un ordre de grandeur. Dans le meilleur des cas, vous avez besoin de 100 plats pour égaler la sensibilité d'un plat de 10 fois le diamètre. Le monde réel n'est pas idéal, donc les performances réelles seront inférieures à cela.

Interférence: les réseaux clairsemés ne peuvent pas distinguer complètement le rayonnement provenant de différents points de leur champ de vision. Une source lumineuse dans un lobe latéral peut interférer avec les observations dans la zone d'intérêt.

Coût: plus il y a de nœuds dans votre baie, plus il y a de composants à entretenir et à mettre à niveau. Un récepteur et un amplificateur séparés pour chaque parabole, des mécanismes pour viser la parabole, la puissance et le signal fonctionnent pour chaque nœud, etc. L'équipement pour traiter tous les signaux et faire fonctionner le tableau comme un seul instrument n'est pas non plus bon marché. Vous pouvez réduire les coûts en utilisant un tableau très clairsemé, mais qui présente des compromis comme décrit ci-dessus.

La transmission via un réseau distribué est en fait beaucoup plus difficile. Vous pouvez enregistrer la forme d'onde reçue et déterminer la phase relative, tout biais dans les bases de temps, etc. tout en calculant les nombres plus tard. Lors de la transmission, les transmissions réelles de chaque nœud doivent être synchronisées avec précision avec les autres en temps réel, à une fraction d'une période d'onde du signal transmis. Et bien sûr, la quantité de puissance que vous devez gérer est beaucoup plus élevée ... les approches adaptées aux petits signaux ne vont pas de kilowatts à mégawatts de puissance d'émission.

En outre, une grande partie de la puissance transmise par un réseau clairsemé ira dans les lobes latéraux. Si vous écartez les modes pour augmenter la résolution du réseau et rendre le faisceau principal plus étroit, cela ne rend pas le faisceau plus lumineux, il redirige simplement plus de puissance de transmission dans les lobes latéraux. Le principal avantage des tableaux, qui est de pouvoir répartir les nœuds et d'utiliser un tableau très clairsemé pour améliorer la résolution, ne s'applique en grande partie pas à la transmission.