アレシボ：ジャイアントディッシュの利点は？
アレシボ天文台での最近の出来事と、物議を醸している施設閉鎖の決定について、皆さんは聞いたことがあると思います。また、アレシボ天文台は世界で2番目に大きい単一開口電波天文台であると聞きました（中国のFAST以外）。
しかし、超大型アレイや提案されているスクエアキロメートルアレイのような施設のように、単一の皿からはるかに優れた性能を達成するために皿を配列することも可能であると聞いています。私には、これはかなり望ましい解決策のように思えます。単一の巨大な望遠鏡よりも構築して指し示すのが簡単だからです。
私の質問は、アレシボのような真の巨大な料理を持っていることと比較して、これを行うことの欠点は何ですか？
PS：アレシボはレーダー天文学もできることを私は知っています。しかし、私の質問はそれにも及ぶと思います。電波望遠鏡の配列を変更して同様の天文学を行うことはできますか？これは、単一のパラボラアンテナよりも良い/悪いでしょうか？
回答
太陽系オブジェクトのレーダー天文学は、小惑星が地球の近くを通過し、うまくいけば私たちに当たらないように小惑星を探索するために、FAST、ゴールドストーン70 m皿、グリーンバンク、そして今までアレシボ（一部は受信モードのみ）を使用して積極的に追求されています。それらは、パッシブレーダー反射を介して月の周りの軌道で死んだ宇宙船を見つけるためにさえ使用されました！
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したがって、これはここだけでなく、天文学SEでも話題になっています。
私は専門家ではありませんが、いくつかの考えを追加し、反引数を歓迎します。
受信信号対雑音比
1つの大きな皿には、温度で1つのフロントエンドレシーバーがあります $T$ 1を生成します $k_B T \Delta f$ノイズ等価電力またはNEPの。代わりに、それぞれ0.1大皿の皿が100皿ある場合、受信電力は同じになりますが、NEPは10倍または100倍大きくなります。コヒーレント干渉法では、最初に振幅を追加してから正方形を追加する必要があるため、10倍だけ大きいと思いますが、間違っている可能性があります。
複数のディッシュは、はるかにタイトなビーム（受信または送信）を可能にするため、場合によってはNEPを相殺する可能性があります。
利得
総面積を等しく保つと、1つの大きな皿と0.1の大きな皿の直径の100の皿は、それらが皿の回折限界応答用に最適化された単純な受信ホーンを持っていると仮定すると、特定の周波数に対して同じ受信ゲインを持ちます。再オン。フィードホーンアレイがある場合、それはより複雑になります1。
アレイが向けられ、それに応じて位相調整される特定の方向から受け取る総電力は、ほとんどのアレイがそうであるようにすべて操縦可能であると仮定すると、基本的にすべての皿の総面積です。
ただし、1つの固定皿の場合、2つの問題があります。
- 傾斜角または余弦シータ。ある角度で入射する光線では断面積が減少しますが、これはもちろん90度でゼロになります。
- 収差を減らすために、より多くの空をカバーするために絞りを減らしました（例：球面！）FASTの「S」は球面を表します。「リフレクターの直径は500メートル（1,600フィート）ですが、一度に使用されるのは直径300メートルの円だけです（正しい放物線形状で保持され、レシーバーによって「照らされ」ます）。」
解像度とビーム構造
興味深いことに、送信の状況は少し異なります。これが、深宇宙地上局が、適切にフェーズされた多数の小さな皿ではなく、真に巨大な操縦可能なプラットフォーム上に真に巨大な単一の皿を構築する理由の1つです。
ハードアパーチャディッシュはおおよそエアリーディスクビームパターンになりますが。角度の関数としての振幅の場合：
$$E(\theta) = E_0 \frac{2 J_1(k a \sin(\theta))}{k a \sin(\theta)}$$
注：少し休憩する必要があります。コーヒーと朝食をとれるとすぐにこれを終了し、これを正しく正規化します。
おそらく、地上の地上局には十分な電力があるため、1つの大きな皿または100の小さな皿に同じ電力の（適切に位相調整された）無線送信機を設置できます。
ただし、送信ディッシュのまばらな配列は、常に複雑な放射パターンを生成します。によって生成された広い封筒に加えて$\lambda/D_{dish}$ 各皿の、全体の配列のはるかに高い解像度 $\lambda/D_{array}$本当に小さな斑点の複雑なパターンになります。私たちが見ればALMAミーアキャットのような、あるいは前駆体、我々は、彼らがランダムなスパイラルパターンの一種ではなく、通常の配列と「それをミックス」しようとしていることがわかります。どうして？これは、ビームパターンの複雑な微細構造の問題を部分的に軽減するためです。
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この問題は、深宇宙の宇宙船に送信する場合ほど重要ではないかもしれませんが、月の近くの死んだ宇宙船をターゲットにする場合は非常に重要でした（ドップラーシフトは異なりますが、明らかにはるかに大きな反射板）。
レーダーを使用して惑星をイメージングするには、1つの大きな皿とそのクリーンな空間ビームパターンも重要です。遅延ドップラーを使用すると、皿によって解決されていない場合でも、回転する惑星の表面を画像化できます。これは、緯度が最初に私たちに向かって移動し、次に私たちから離れるときに、異なるドップラープロファイルを実行するためです。ただし、ドップラーを使用して2つの半球を区別する方法はありません。これは、垂直に近い軸方向の傾斜の場合、重要なのは緯度の絶対値のみであるためです。天文学者は、1つの大きな皿のビームパターンを使用して、一方の半球の優先照明を交互に使用し、次にもう一方の照明を使用して半球のコントラストを生成し、多くの計算を行います。
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配列の乱雑な微細構造では、オブジェクトのサイズと距離、および配列の詳細に応じて、これは簡単な場合とはるかに難しい場合があります。
信号の問題の詳細については、次の回答を参照してください。
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1一部の皿、場合によっては皿の配列でさえ、干渉イメージングに参加できるフィードホーンの焦点面配列が装備されています。
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それは万能の状況ではありません：
解像力。これはコレクターの直径に基づいており、皿の間の距離が重要であるため、複数の皿のアプローチを大いに支持します-惑星の反対側にある2つの皿は、惑星のサイズの1つの皿と同じ分解能を持っています。
信号収集力。これはコレクターの表面積に基づいており、アレシボの真の強みでした。アレシボのかすかな信号を見る能力と一致させるには、より少ない料理がたくさん必要になります。
マルチディッシュアプローチは、シングルディッシュルートと比較して非常に多くの頭痛の種を追加することに注意してください。必要な精度は覚えていませんが、信号周波数のごく一部です。これは、空間的（機器がどこにあるかを正確に知る）と時間的の両方で必要です。これが、通常は無線帯域でのみ行われる理由です。理論的には、光学望遠鏡でも同じことができますが、ミラーがすべて1つの構造の一部である場合にのみ行われると聞いています。
感度：理想的な世界では、感度を1桁上げるには、アレイ内のノードの数を2桁増やす必要があります。絶対的な最良のケースでは、直径の10倍の皿の感度に匹敵する100皿が必要です。現実の世界は理想的ではないため、実際のパフォーマンスはこれよりも低くなります。
干渉：スパースアレイは、視野内のさまざまなポイントからの放射線を完全に区別することはできません。サイドローブの明るい光源は、関心のある領域での観測を妨げる可能性があります。
コスト：アレイ内のノードが多いほど、維持およびアップグレードするコンポーネントが多くなります。ディッシュごとに個別の受信機と増幅器、ディッシュを狙うメカニズム、ノードごとの電力と信号の実行など。すべての信号を処理し、アレイを単一の機器として機能させるための機器も安価ではありません。非常にスパースな配列を使用することでコストを削減できますが、上記のようなトレードオフがあります。
分散アレイを介した送信は、実際にははるかに困難です。受信した波形を記録し、後で数値を計算しながら、相対位相、タイムベースのスキューなどを計算できます。送信する場合、各ノードからの実際の送信は、送信される信号の波の周期の何分の1か以内に、リアルタイムで他のノードと正確に同期する必要があります。そしてもちろん、処理しなければならない電力量ははるかに高くなります...小信号に適したアプローチは、送信電力のキロワットからメガワットに拡張されません。
また、スパースアレイを介して送信される電力の多くはサイドローブに送られます。モードを離してアレイの解像度を上げ、メインビームを狭くすると、ビームが明るくなることはなく、より多くの送信電力がサイドローブにリダイレクトされるだけです。アレイの主な利点は、ノードを分散し、非常にまばらなアレイを使用して解像度を向上させることができることですが、送信にはほとんど当てはまりません。