Arecibo: vantaggi di Giant Dish?
Sono sicuro che tutti voi avete sentito parlare dei recenti eventi all'osservatorio di Arecibo e della controversa decisione di chiudere la struttura. Ho anche sentito che Arecibo è il secondo osservatorio radio a singola apertura più grande al mondo (al di fuori del FAST in Cina).
Tuttavia, ho anche sentito che è possibile disporre i piatti per ottenere prestazioni molto migliori rispetto a un singolo piatto, come in strutture come il Very Large Array e il Square Kilometre Array proposto. A me questa sembra una soluzione piuttosto desiderabile, poiché sarebbe più facile da costruire e da puntare rispetto a un singolo telescopio gigante.
La mia domanda è: quali sono gli svantaggi di farlo rispetto ad avere un vero piatto gigante come Arecibo?
PS: so che Arecibo può anche fare astronomia radar. Ma immagino che la mia domanda si estenda anche a questo. È possibile modificare una serie di radiotelescopi per eseguire un'astronomia simile, e sarebbe meglio / peggio che con una singola parabola?
Risposte
L'astronomia radar degli oggetti del sistema solare viene attivamente perseguita utilizzando FAST, Goldstone 70 m, Greenbank e fino ad ora Arecibo (alcuni solo in modalità di ricezione) per esplorare gli asteroidi mentre passano vicino alla Terra e si spera che non ci colpiscano. Sono stati persino usati per trovare un'astronave morta in orbita attorno alla luna tramite la riflessione passiva del radar!
- Perché era necessaria la parabola Green Bank da 100 m insieme alla parabola Goldstone da 70 m di DSN per rilevare Chandrayaan-1 nell'orbita lunare?
- Qual è l'oggetto più lontano su cui siamo stati in grado di far rimbalzare i segnali fino ad oggi?
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- In che modo Arecibo ha rilevato i laghi di metano su Titano e ha immaginato gli anelli di Saturno?
Quindi questo è in tema qui, così come in Astronomy SE.
Non sono un esperto ma aggiungerò alcune riflessioni e accoglierò con favore i contrargumi.
Ricevi il rapporto segnale / rumore
Un piatto grande ha un ricevitore front-end a temperatura $T$ che genera 1 $k_B T \Delta f$di potenza equivalente al rumore o NEP. Se invece ci fossero 100 piatti di 0,1 diametro di piatto grande ciascuno, la potenza ricevuta sarebbe la stessa ma il NEP sarebbe 10 o 100 volte più grande. Penso che sia solo 10 volte più grande, perché dobbiamo aggiungere prima le ampiezze e poi il quadrato per un'interferometria coerente, ma potrei sbagliarmi.
Parabole multiple consentono un raggio molto più stretto (ricezione o trasmissione), quindi in alcuni casi può compensare NEP.
Guadagno
Mantenendo le aree totali uguali , l'unica parabola grande e le 100 parabole di 0,1 parabola grande di diametro avranno lo stesso guadagno di ricezione per una data frequenza, supponendo che abbiano semplici trombe di ricezione ottimizzate per una risposta limitata dalla diffrazione per la parabola che " re su. Quando ci sono matrici di corno di alimentazione diventa più complicato 1 .
La potenza totale ricevuta da una data direzione verso la quale un array è puntato e messo in fase di conseguenza è fondamentalmente l'area totale di tutti i piatti, supponendo che siano tutti orientabili come la maggior parte degli array.
Tuttavia per una singola parabola fissa ci sono due problemi.
- obliquità o coseno theta, poiché i raggi che entrano in un angolo vedono una sezione trasversale ridotta, che ovviamente va a zero a 90 gradi.
- apertura ridotta per coprire più cielo per ridurre le aberrazioni (es. sferiche!) La "S" in FAST sta per sferica. "Sebbene il diametro del riflettore sia di 500 metri (1.600 piedi), viene utilizzato solo un cerchio di 300 m di diametro (tenuto nella forma parabolica corretta e" illuminato "dal ricevitore) in qualsiasi momento"
Risoluzione e struttura del fascio
È interessante notare che le cose sono un po 'diverse per la trasmissione, e questo è uno dei tanti motivi per cui le stazioni terrestri nello spazio profondo costruiscono piatti singoli veramente giganti su piattaforme sterzanti veramente giganti invece di molti piatti più piccoli correttamente suddivisi in fasi.
Mentre una parabola ad apertura rigida avrà un raggio del disco all'incirca Airy . Per l'ampiezza in funzione dell'angolo:
$$E(\theta) = E_0 \frac{2 J_1(k a \sin(\theta))}{k a \sin(\theta)}$$
nota: ho bisogno di fare una pausa per un po ', finirò non appena potrò prendere il caffè, fare colazione e poi normalizzarlo correttamente.
Presumibilmente possiamo avere un trasmettitore radio (opportunamente fasato) con la stessa potenza in una parabola grande o 100 parabole più piccole, poiché per una stazione di terra a terra c'è molta potenza.
Tuttavia, una serie sparsa di antenne trasmittenti genererà sempre un diagramma di radiazione complesso. Oltre all'ampia busta prodotta dal$\lambda/D_{dish}$ di ogni piatto, la risoluzione molto più alta dell'array totale $\lambda/D_{array}$sarà davvero uno schema complesso di piccoli punti. Se guardiamo ad ALMA o anche a precursori come Meerkat, vediamo che cercano di "mescolarlo" con una sorta di schema a spirale casuale, piuttosto che con un normale array. Perché? Perché questo allevia parzialmente il problema della complessa struttura fine nella configurazione del fascio.
- Quali 16 posizioni dell'antenna sono state utilizzate questa immagine radio MeerKAT?
Questo problema potrebbe non essere così importante per la trasmissione a un veicolo spaziale nello spazio profondo, ma era molto importante quando si prende di mira un veicolo spaziale morto vicino alla Luna (un riflettore ovviamente molto più grande, anche se di uno spostamento doppler diverso).
Un unico grande piatto e il suo modello di raggio spaziale più pulito sono importanti anche per l'imaging dei pianeti usando il radar. Utilizzando il delay-doppler è possibile visualizzare la superficie di un pianeta in rotazione anche se non è risolta dalla parabola, perché ogni latitudine eseguirà un diverso profilo doppler mentre si muove prima verso di noi e poi via da noi. Tuttavia, non c'è modo di usare il Doppler per differenziare i due emisferi perché per le inclinazioni assiali quasi perpendicolari è solo il valore assoluto della latitudine che conta. Gli astronomi usano il fascio di luce di una singola grande parabola per alternare l'illuminazione preferenziale di un emisfero, poi dell'altro per generare il contrasto dell'emisfero, quindi fanno molti calcoli.
- Cosa causa l '"ambiguità nord-sud" quando il radar doppler visualizza l'equatore di superficie di un pianeta?
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Con la struttura fine e disordinata di un array, questo potrebbe essere più semplice o potrebbe essere molto più difficile, a seconda delle dimensioni e della distanza dell'oggetto e delle specifiche dell'array.
Per ulteriori letture sui problemi dei segnali, vedere le risposte a:
- Come calcolare la velocità dati di Voyager 1? Collega budget, rumore, ecc.
- Se un CubeSat di tipo MarCO fosse in orbita attorno a Bennu, che tipo di alimentazione avrebbe bisogno per comunicare con la rete Deep Space? e sto usando correttamente il teorema di Shannon-Hartley e il rumore termico? Shannon-Hartley ecc.
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1 Alcuni piatti, e talvolta anche matrici di parabole, sono dotati di matrici sul piano focale di corni di alimentazione che possono partecipare a loro volta all'imaging interferometrico:
- In che modo i feed phased array sul piano focale di ASKAP interagiscono con l'intera fasatura dell'array?
- Qual è l'array sul piano focale con la massima granularità su un radiotelescopio? O questo è l'UNICO?
- Come viene determinato il campo visivo di un radiotelescopio?
Non è una situazione valida per tutti:
Potere risolutivo. Questo si basa sul diametro del collettore e favorisce notevolmente un approccio a più parabole in quanto conta la distanza tra le parabole: due parabole sui lati opposti del pianeta hanno lo stesso potere risolutivo di una parabola delle dimensioni del pianeta.
Potenza di raccolta del segnale. Questo si basa sulla superficie del collezionista ed era il vero punto di forza di Arecibo. Per abbinare la capacità di Arecibo di vedere i segnali deboli richiederebbe molti piatti minori.
Si noti che l'approccio a più piatti aggiunge un sacco di mal di testa rispetto al percorso a piatto unico. Non ricordo la precisione richiesta ma è una piccola frazione della frequenza del segnale. Questo è necessario sia spazialmente (sapendo esattamente dove si trova l'attrezzatura) che temporalmente. Questo è il motivo per cui normalmente è fatto solo nella banda radio - mentre in teoria potresti fare la stessa cosa con i telescopi ottici, ho sentito parlare solo quando gli specchi fanno tutti parte di una struttura.
Sensibilità: in un mondo ideale, è necessario aumentare il numero di nodi in un array di 2 ordini di grandezza per aumentare la sensibilità di 1 ordine di grandezza. Nel migliore dei casi, hai bisogno di 100 piatti per eguagliare la sensibilità di un piatto con 10 volte il diametro. Il mondo reale non è l'ideale, quindi le prestazioni effettive saranno inferiori.
Interferenza: gli array sparsi non sono in grado di distinguere completamente la radiazione proveniente da punti diversi nel loro campo visivo. Una sorgente luminosa in un lobo laterale può interferire con le osservazioni nell'area di interesse.
Costo: più nodi nel tuo array, più componenti da mantenere e aggiornare. Un ricevitore e un amplificatore separati per ogni parabola, meccanismi per puntare la parabola, alimentazione e segnali per ogni nodo, ecc. Anche l'apparecchiatura per elaborare tutti i segnali e far funzionare l'array come un unico strumento non è economica. È possibile ridurre i costi utilizzando un array molto scarso, ma con i compromessi descritti sopra.
La trasmissione attraverso un array distribuito è in realtà molto più difficile. È possibile registrare la forma d'onda ricevuta e calcolare la fase relativa, qualsiasi disallineamento nelle basi dei tempi, ecc. Mentre si elaborano i numeri in un secondo momento. Durante la trasmissione, le trasmissioni effettive da ciascun nodo devono essere sincronizzate con precisione con gli altri in tempo reale, entro una frazione di un periodo d'onda del segnale trasmesso. E ovviamente la quantità di potenza che devi gestire è molto più alta ... gli approcci adatti per piccoli segnali non scaleranno da kilowatt a megawatt di potenza di trasmissione.
Inoltre, gran parte della potenza trasmessa attraverso un array sparso andrà nei lobi laterali. Se allontani le modalità per aumentare la risoluzione dell'array e rendere il raggio principale più stretto, non rende il raggio più luminoso, ma reindirizza solo più potenza di trasmissione nei lobi laterali. Il vantaggio principale degli array, di essere in grado di distribuire i nodi e utilizzare un array molto sparso per migliorare la risoluzione, in gran parte non si applica alla trasmissione.