Радіоінтерферометрія з наддовгою базою

Радіоінтерферометрі́я з наддо́вгою ба́зою (РНДБ) — різновид інтерферометрії, що застосовується в радіоастрономії й використовує радіотелескопи, рознесені на відстані понад 1000 км^[2]. У РНДБ сигнал від радіоджерела, наприклад квазара, приймають одночасно кількома радіотелескопами на Землі або у космосі. Поєднання спостережень одного й того ж об'єкта з багатьох телескопів дозволяє отримати таку роздільну здатність і астрометричну точність, як один телескоп з розміром, рівним максимальній відстані між антенами.

Деякі з радіотелескопів Великої міліметрової антенної решітки Атакама

Вісім радіотелескопів Субміліметрової решітки^[en], розташованих в обсерваторії Мауна-Кеа на Гаваях

Метод РНДБ використали для отримання першого зображення чорної діри, зробленого Телескопом горизонту подій та опублікованого у квітні 2019 року.^[1]

Дані, отримані кожною антеною, містять часові позначки від локального атомного годинника, наприклад водневого мазера^[en], що допомагає корелювати сигнал з даними з інших антен. Техніка РНДБ дозволяє збільшити базу між телескопами значно більше, ніж у традиційній інтерферометрії, яка вимагає фізичного з’єднання антен за допомогою коаксіального кабелю, хвилеводу, оптоволокна чи іншої лінії зв'язку. Такі великі відстані стали можливими завдяки розвитку методу замикання фази^[en] у 1950-х роках Роджером Дженнісоном^[en], що дало змогу отримувати зображення з високою роздільною здатністю^[3].

Найвідоміші використання РНДБ включають отримання зображень віддалених космічних радіоджерел, відстеження космічних апаратів та астрометрію. Оскільки цей метод вимірює різницю часу приходу сигналів на різні антени, його можна застосовувати й «навпаки» — для вивчення обертання Землі, високоточного (до міліметрів) вимірювання рухів тектонічних плит та інших задач геодезії. Для цього потрібна велика кількість вимірювань різниці часу приходу сигналів від далеких джерел (таких як квазари), проведених за допомогою глобальної мережі антен протягом тривалого часу.

Метод

Запис даних на кожному телескопі масиву РНДБ. Сигнали надзвичайно точних високочастотних годинників синхронно записують разом з астрономічними даними для забезпечення коректної синхронізації

Зазвичай в РНДБ оцифровані дані антен записують окремо на кожному з телескопів. У минулому для цього використовували великі магнітні стрічки, а нині — масиви комп'ютерних дисків. Сигнал антени маркують за допомогою надзвичайно точного та стабільного атомного годинника (зазвичай водневого мазера^[en]), який додатково синхронізовано зі стандартом часу GPS. Записані носії потім транспортують у центральний кореляційний центр. Також проводять експерименти з «електронною» РНДБ (e-РНДБ), коли дані передають по волоконно-оптичних лініях (наприклад, 10 Гбіт/с у дослідницькій мережі GEANT2) і не записують безпосередньо на телескопах, що значно прискорює та спрощує процес спостережень. Попри дуже високі швидкості передавання, дані можна надсилати звичайними інтернет-з'єднаннями, оскільки багато міжнародних високошвидкісних мереж наразі мають значні резерви пропускної здатності.

У кореляційному центрі дані корелюють за сигналами атомних годинників та розрахунковими моментами приходу радіосигналу на кожен з телескопів. Зазвичай перевіряють діапазон затримок у межах кількох наносекунд, доки не буде знайдено правильну синхронізацію.

Обробка даних з кожного телескопа масиву РНДБ. Синхронізація відтворення даних з різних телескопів потребує високої точності. Сигнали атомних годинників, записані разом з даними, допомагають правильно налаштувати часові затримки.

Антени розташовані на різній відстані від джерела сигналу, і, як і в випадку радіоінтерферометрії з короткою базою, до сигналів треба штучно додати затримки, зумовлені додатковою відстанню до кожної антени. Приблизну затримку можна розрахувати з геометрії системи. Записи синхронізують за допомогою сигналів атомних годинників. Якщо положення антен відоме недостатньо точно або істотні атмосферні ефекти, потрібно робити дрібні корекції затримок, доки не буде зафіксовано інтерференційні смуги. Якщо сигнал від антени A взято за еталон, неточності у визначенні затримки призведуть до похибок ${\displaystyle \epsilon _{B}}$ та ${\displaystyle \epsilon _{C}}$ у фазах сигналів від антен B та C відповідно (див. рисунок). Унаслідок цих похибок фазу комплексної видимості неможливо виміряти за допомогою радіоінтерферометрії з наддовгою базою.

Температурні коливання на майданчиках РНДБ можуть деформувати конструкцію антен і впливати на точність вимірювань базової відстані^[4][5]. Ігнорування поправок на атмосферний тиск і гідрологічне навантаження на етапі спостережень також може призвести до появи річних і сезонних сигналів у даних РНДБ^[5].

Фаза комплексної видимості залежить від симетрії розподілу яскравості джерела. Будь-який розподіл яскравості можна подати як суму симетричної та антисиметричної складових. Симетрична складова розподілу яскравості впливає лише на дійсну частину комплексної видимості, а антисиметрична — лише на уявну. Оскільки фазу кожного вимірювання комплексної видимості у РНДБ неможливо визначити, внесок симетричної складової розподілу яскравості джерела залишається невідомим.

Роджер Дженнісон^[en] розробив нову техніку для отримання інформації про фази видимості за наявності похибок затримки, використовуючи спостережувану величину під назвою замикання фази^[en]. Хоча його перші лабораторні вимірювання замикання фази проводилися на оптичних довжинах хвиль, він передбачав значно більший потенціал цієї техніки в радіоінтерферометрії. У 1958 році він продемонстрував її ефективність із радіоінтерферометром, але широке застосування в радіоінтерферометрії з наддовгою базою метод отримав лише у 1974 році. Для нього потрібні щонайменше три антени. Цей метод використовували у перших вимірюваннях РНДБ, і в модифікованій формі («самокалібрування») його застосовують дотепер.

Наукові результати

Деякі з наукових результатів, отриманих за допомогою РНДБ:

• Високоякісні радіоінтерферометричні зображення космічних радіоджерел.
• Отримання зображень поверхонь найближчих зір на радіохвилях – подібні методи також застосовували для створення інфрачервоних та оптичних зображень поверхонь зір.
• Визначення небесної системи координат^[6][7].
• Вимірювання прискорення Сонячної системи у напрямку центру Чумацького Шляху^[8].
• Визначення руху тектонічних плит Землі.
• Виявлення регіональних деформацій та локального підняття або опускання земної поверхні.
• Вимірювання параметрів орієнтації Землі^[en] та коливання тривалості доби^[en][9].
• Підтримання земної системи відліку.
• Вимірювання гравітаційних сил Сонця і Місяця на Землю та дослідження глибинної структури Землі.
• Удосконалення моделей атмосфери.
• Вимірювання фундаментальної швидкості гравітації.
• Відстеження зонда «Гюйгенс» під час проходження крізь атмосферу Титана, що дозволило виміряти швидкості вітру^[10].
• Перше зображення надмасивної чорної діри^[1][11].

РНДБ-мережі

Кілька масивів РНДБ розташовані в Європі, Канаді, США, Чилі, Росії, Китаї, Південній Кореї, Японії, Мексиці, Австралії та Таїланді. Найчутливішим масивом РНДБ у світі є Європейська РНДБ-мережа (EVN). Вона об'єднує найбільші європейські радіотелескопи та кілька інших телескопів поза межами Європи. Отримані ними дані обробляють в JIVE. Антенний масив з дуже великоюї базою (VLBA), що складається з десяти спеціалізованих 25-метрових телескопів, розташованих у США на відстані 5351 милі, є найбільшим РНДБ-масивом, який працює цілий рік як астрономічний та геодезичний інструмент^[12]. Поєднання EVN та VLBA відоме як Глобальний РНДБ. Коли одна чи обидві ці мережі поєднуються з космічними антенами РНДБ, такими як HALCA або Спектр-Р, це дає роздільну здатність, вищу за будь-який інший астрономічний інструмент, — до кількох мікросекунд дуги. РНДБ виграє від міжнародної сівпраці, яка дає змогу отримувати більші відстані між телескопами. Помітним раннім прикладом був 1976 рік, коли радіотелескопи у США, СРСР та Австралії об'єднали для спостереження гідроксильних мазерів^[13]. Цю методики пізніше використовав Телескоп горизонту подій, метою якого було спостереження надмасивних чорних дір у центрах Чумацького Шляху та M87^[1][14][15].

Відстань від станції Маларгуе до інших станцій РНДБ-мережі НАСА

НАСА використовує для РНДБ свої великі антени Мережі далекого космосу, що зазвичай застосовується для зв'язку з космічними апаратами. Така радіореференцна система допомагає точнішій навігації космічних апаратів. Додавання станції Єкропейського космічного агентства в Маларгуе (Аргентина) збільшує базові лінії та значно покращує покриття Південної півкулі^[16].

Зображення джерела IRC +10420^[en]. Ліворуч — зображення нижчої роздільної здатності, отримане масивом MERLIN у Великій Британії, яке показує розширювану газову оболонку з мазерним випромінюванням, викинуту близько 900 років тому з надгіганта, утричі масивнішого за Сонце. Праворуч — відповідне зображення e-РНДБ від Європейської РНДБ-мережі, яке демонструє значно детальнішу структуру мазерів, видиму завдяки вищій роздільній здатності РНДБ-масиву.

Традиційно РНДБ працювала шляхом запису сигналів на кожному телескопі на магнітні стрічки або диски з подальшим транспортуванням у центр кореляції для обробки. У 2004 році стало можливим з’єднувати радіотелескопи РНДБ майже в режимі реального часу, зберігаючи при цьому локальні часові відліки, характерні для методу РНДБ. Ця методика отримала назву e-РНДБ. У Європі шість радіотелескопів Європейської РНДБ-мережі були з’єднані каналами зі швидкістю гігабіт на секунду через свої національні наукові мережі та пан’європейську дослідницьку мережу GÉANT2, і це стало першим успішним астрономічним експериментом з використанням цього методу^[17]. Зображення праворуч демонструє перші наукові результати, отримані Європейською РНДБ-мережею за допомогою e-РНДБ. Дані з кожного телескопа були передані через мережу GÉANT2 і далі через SURFnet для обробки в режимі реального часу в Європейському центрі обробки даних при JIVE^[17].

У прагненні до ще більшої кутової роздільної здатності на орбіту Землі запускали спеціалізовані супутники РНДБ, що дозволило значно подовжити базові лінії. Експерименти з такими космічними елементами масивів отримали назву космічна РНДБ-інтерферометрія з дуже довгою базою (англ. Space Very Long Baseline Interferometry, SVLBI). Перший такий експеримент провели на орбітальній станції Салют-6 із застосуванням КРТ-10 — 10-метрового радіотелескопа, запущеного у липні 1978 року. Першим спеціалізованим РНДБ-супутником був HALCA — 8-метровий радіотелескоп, запущений у лютому 1997 року. Він проводив спостереження до жовтня 2003 року. Через невеликий розмір антени з його допомогою можна було досліджувати лише дуже потужні радіоджерела. Інший РНДБ-супутник, 10-метровий радіотелескоп Спектр-Р, запустили в липні 2011 року, і він працював до січня 2019 року. Його вивели на сильно еліптичну орбіту з перигеєм 10 652 км і апогеєм 338 541 км. Це зробило програму «Радіоастрон», що об'єднувала супутник і наземні масиви, найбільшим радіоінтерферометром на той час. Роздільна здатність системи сягала 8 мікросекунд дуги.

Під егідою Міжнародного астрономічного союзу та Міжнародної асоціації геодезії^[18] працює Міжнародна служба РНДБ з геодезії та астрометрії — міжнародна команда, мета якої полягає у використанні спостережень астрономічних радіоджерел методом РНДБ для точного визначення параметрів орієнтації Землі^[en], небесних систем відліку та земної системи відліку^[19].

Див. також

• Укргеокосмомережа
• Українські радіоінтерферометри Академії Наук
• Український Т-подібний радіотелескоп-2
• Український радіоінтерферометр Академії Наук - 2
• Європейська РНДБ-мережа
• Радіоінтерферометр
• HALCA — космічний радіотелескоп для інтерферометрії з наддовгою базою