Как Аресибо обнаружил метановые озера на Титане и изобразил кольца Сатурна?

Это ответ на Дальнее расстояние до объекта солнечной системы, которое было измерено радаром? упоминает, что кольца Сатурна, и пост «Обнаружение путешествия» обсерватории Аресибо, Пуэрто-Рико - самый большой в мире радиотелескоп более 50 лет, упоминает:

Среди других достижений Обсерватории Аресибо:

• Прямая съемка астероида впервые в истории.
• Обнаружение отложений водяного льда на полюсах Меркурия.
• Отслеживание околоземных астероидов для мониторинга рисков удара.
• Картирование покрытой облаками поверхности Венеры.
• Радиолокационная съемка колец Сатурна, выявляющая новые детали кольцевой структуры.
• Первое обнаружение метановых озер на Титане, луне Сатурна.
• Первое обнаружение астероида с Луной.

Вопрос: Как Аресибо обнаружил метановые озера на Титане и изобразил кольца Сатурна? Это довольно замечательные подвиги с Земли для одного радиотелескопа. Как они были сделаны? Можно ли найти цитаты и показать примеры изображений колец и метанового озера?

Титан "Озера":

Открытый доступ в науке: радиолокационные данные о жидких поверхностях на Титане Кэмпбелл, Д.Б., Блэк, Дж. Дж., Картер, Л.М. и Остро, С.Дж., Наука 302 , 5644, с. 431-434, 17 октября 2003 г. DOI: 10.1126 / science. 1088969

Это был действительно элегантный эксперимент! Непрерывная немодулированная волна с круговой поляризацией 13 см передавалась из Аресибо в направлении системы Сатурн / Титан, а доплеровский сдвиг использовался для изоляции возвращаемого сигнала от Титана.

Большая часть поверхности шероховатая, поэтому сигнал возвращается из областей по всему диску Титана, и поскольку луна вращается, хотя и медленно, возвращаемая мощность с «левой» и «правой» сторон смещается на более высокие и более низкие частоты.

Однако в некоторые моменты наблюдений было очень сильное и ярко выраженное отражение с нулевым доплеровским сдвигом относительно известной радиальной скорости Титана, и этот пик объясняется зеркальным отражением. Проверки принятой поляризации подтверждают, что хотя мощность от шероховатой поверхности возвращается в обоих состояниях круговой поляризации, предполагаемый зеркальный компонент находится только в ожидаемом состоянии круговой поляризации.

Как указывалось в вдумчивом ответе @Martin Kochanski, из наблюдения радара не определено, что возвращенное зеркальное отражение исходит от метана. Это просто предполагаемый компонент предполагаемых озер, основанный на известной информации о химии Титана в то время (2003).

Мы наблюдали Титана 16 ночей в ноябре и декабре 2001 года и 9 ночей в ноябре и декабре 2002 года, передавая на длине волны 13 см с помощью 305-метрового телескопа Аресибо и получая эхо с Аресибо. Вращательный и орбитальный периоды Титана составляют 15,9 дня, и наши наблюдения 2001 года были получены с равномерным интервалом 22,6 ° (~ 800 км) по долготе. 9 наблюдений в 2002 году не обеспечили равномерного охвата. Широта подземной трассы составляла 25,9 ° южной широты в 2001 году и 26,2 ° южной широты в 2002 году, что является ее самой дальней южной экскурсией. Время прохождения сигнала туда и обратно к системе Сатурн во время наблюдений составляло 2 часа 15 минут, а ограниченное время отслеживания телескопа Аресибо означало, что прием сигнала был ограничен до 30 минут в день, что соответствует 0,5 ° вращения Титана (20). км движения подземной точки). В одну ночь в 2001 году и для большинства наблюдений 2002 года (а также других, когда мы пытались провести измерения дальности до Титана), 100-метровый телескоп Green Bank (GBT) также использовался для получения эхо-сигнала для полного кругового обхода. время. Эти данные имеют более низкое отношение сигнал / шум, чем те, которые получены с Аресибо, принимающим эхо, но более длительное время приема, соответствующее 2,1 ° поворота Титана, позволило исследовать больше местоположений в субземле.

Вот некоторые данные Титана:

Рис. 3. Спектр радиолокационного эхосигнала ОК с разрешением 1,0 Гц для наблюдения 2002 г. на долготе суб-земли 80 °. Нормализованное поперечное сечение для зеркальной составляющей эха и среднеквадратичного наклона составляет 0,023 и 0,2 ° соответственно.

Нажмите для полного размера

Рис. 1. Спектры радиолокационного эхосигнала Аресибо по данным 2001 г. для пяти субземных долгот на Титане. Спектры показаны как для ожидаемого (OC) ощущения принятой круговой поляризации, так и для кроссполяризованного (SC) смысла. Ордината в стандартных отклонениях шума. Допплеровская полоса пропускания от Titan к конечности для Titan составляет 325 Гц. Четыре из спектров OC показывают свидетельство зеркального компонента при 0 Гц.

Кольца Сатурна "с изображением" (задержка-допплер):

Из радиолокационных изображений колец Сатурна Николсон П.Д. и др., Икар 177 (2005) 32–62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

«Изображение» ниже не является обычным изображением, поскольку блюдо Аресибо не имеет возможности пространственно разрешить поперечное пространство Сатурна и его колец. Это изображение с допплеровской задержкой, использующее радиолокационные сигналы 12,6 см и ~ 500 кВт, передаваемые Аресибо. Время прохождения туда-обратно составило около 135 минут. Поскольку Аресибо имеет ограниченное рулевое управление вдали от зенита (<19,7 градуса), максимальный Сатурн был доступен для блюда только в течение 166 минут даже в идеальных условиях.

Вертикальная ось показывает задержку около +/- 800 миллисекунд, что демонстрирует пространственное разрешение, но в радиальном или глубинном направлении. Горизонтальная ось - доплеровское смещение. Сдвиг +/- 300 кГц представляет орбитальную скорость частиц в кольцах.

В то время как зеркальное отражение Титана выше было сделано с помощью непрерывного или непрерывного луча, метод визуализации с задержкой и допплером требует частотной модуляции луча с помощью скачкообразного изменения частоты. Применяя корреляционную функцию с использованием известного шаблона к записанным принятым сигналам, можно извлечь компоненты с разным временем возврата и разными доплеровскими сдвигами, а затем результаты hzstogramed, получая изображение доплеровской задержки с приведенным ниже изображением.

Это стандартная техника, и она использовалась для изображения других планет и астероидов: см. Следующие пункты и ссылки в:

• Ответ на вопрос « Что вызывает« двусмысленность между Севером и Югом », когда доплеровский радар снимает изображение экватора поверхности планеты?»
• Почему на радиолокационных картах поверхности Венеры отсутствуют пропуски?
• Какова физическая геометрия этого очевидного «затмения» крошечной луны Астероида Флоренции?
• Возможна ли замедленная доплеровская радиолокационная съемка астероидов NEO, только если они вращаются достаточно быстро?

Рис. 2. Изображения с задержкой – допплерографией, построенные по данным, полученным в (а) октябре 1999 г., (б) ноябре 2000 г., (в) декабре 2001 г. и (г) январе 2003 г. Поляризации ОС и СК были объединены для максимизации сигнала до коэффициент шума. Обратите внимание на четыре яркие области на каждом изображении, где ячейки задержки и доплеровские значения параллельны и где кольца A и B, кажется, пересекаются друг с другом.

Он не обнаружил метановых озер.

Он обнаружил, что Титан был блестящим (в терминах радара): то есть отражения были от гладкой поверхности, а не от шероховатой, и в то же время не очень интенсивной.

В результате (цитируя статью New Scientist 2003 года, Радар раскрывает метановые озера Титана, связанные в одном из комментариев к вашему вопросу), « некоторые исследователи полагают, что это метановые озера, расположенные в ударных кратерах. Другие исследователи могут придумать другие объяснения.

Если мы познаем, от других доказательств и рассуждений или просто путем исключения, что есть метановые озера Титана, то Аресибо может утверждать, что видели их. Но само по себе оно не дает никаких доказательств того, что они являются метаном или даже являются озерами.

Точно так же, если бы кто-то запустил космический телескоп в 1961 году и создал высококачественные цветные изображения Марса, он мог бы заявить по принципу Аресибо «Первое обнаружение сезонного вегетационного цикла на Марсе», поскольку в то время большинство ученых считали это было то, что были сезонные изменения цвета.