초장기선 간섭계

Very-long-baseline interferometry
아타카마 Large Millimeter Array 전파 망원경입니다.
하와이 마우나케아 천문대에 있는 스미소니언 서브밀리미터 어레이의 전파 망원경 8개.
A blurry photo of a supermassive black hole in M87.
VLBI는 이벤트 호라이즌 망원경에 의해 촬영되어 2019년 [1]4월에 출판된 블랙홀의 첫 이미지를 만드는 데 사용되었다.

초장기선간섭계(VLBI)는 전파천문학에서 사용되는 천문간섭계의 일종이다.VLBI에서 퀘이사와 같은 천문학적 전파원으로부터의 신호는 지구 또는 우주에 있는 여러 개의 전파망원경으로 수집된다.그런 다음 무선 망원경 사이의 거리는 다른 망원경에서 무선 신호의 도착 시간 차이를 사용하여 계산됩니다.이것은 많은 전파 망원경에 의해 동시에 만들어진 물체를 관측할 수 있게 하며, 망원경 사이의 최대 간격과 같은 크기의 망원경을 모방할 수 있게 한다.

어레이 내의 각 안테나에서 수신되는 데이터는 수소메서 등의 로컬 원자 클럭으로부터의 도달시간을 포함한다.그 후, 같은 무선 신호를 기록한 다른 안테나로부터의 데이터와 관련지어 화상을 생성한다.간섭계를 사용하여 얻을 수 있는 분해능은 관측 주파수에 비례한다.VLBI 기술을 사용하면 기존의 간섭계에서는 망원경 간의 거리를 훨씬 더 크게 할 수 있습니다.이 간섭계에서는 안테나가 동축 케이블, 도파관, 광섬유 또는 기타 유형의 전송선에 의해 물리적으로 연결되어 있어야 합니다.1950년대 로저 제니슨의 폐쇄 위상 이미징 기술 개발로 VLBI에서 망원경 분리가 더 커졌으며, VLBI는 뛰어난 [2]해상도로 영상을 생성할 수 있었다.

VLBI는 먼 우주 전파원을 촬영하고, 우주선을 추적하고, 측성학에서 응용하는 것으로 가장 잘 알려져 있습니다.그러나 VLBI 기술은 별도의 안테나에 전파가 도달하는 시간 차이를 측정하기 때문에 지구 자전 연구, 구조판의 매우 정밀하게(밀리미터 이내) 지도 이동 및 기타 유형의 측지학 수행에도 "역방향"으로 사용될 수 있다.이 방법으로 VLBI를 사용하려면 일정 기간 동안 안테나의 글로벌네트워크에서 관측된 원거리 소스(Quasa 등)로부터의 대량의 시차 측정이 필요합니다.

방법

VLBI 어레이 내의 각 망원경의 데이터를 기록합니다.매우 정확한 고주파 클럭은 정확한 동기화를 위해 천문학 데이터와 함께 기록됩니다.

VLBI에서는 디지털화된 안테나 데이터는 보통 각 망원경에 기록됩니다(과거에는 대형 자기 테이프에서 이루어졌지만, 현재는 일반적으로 컴퓨터 디스크 드라이브의 대규모 어레이에서 이루어졌습니다).안테나 신호는 GPS 시간 표준에 추가로 잠긴 매우 정밀하고 안정적인 원자 클럭(일반적으로 수소 메저)으로 샘플링됩니다.천문 데이터 샘플과 함께 이 시계의 출력이 기록됩니다.그런 다음 기록된 미디어가 중앙 위치로 전송됩니다.보다 최근의 실험은[when?] 광섬유(예: 유럽 GEANT2 연구 네트워크의 10 Gbit/s 광섬유 경로)에 의해 데이터가 전송되고 망원경에 기록되지 않는 "전자" VLBI(e-VLBI)로 수행되어 관찰 과정을 크게 가속화하고 단순화했다.데이터 전송 속도는 매우 높지만, 많은 국제 고속 네트워크가 현재 상당한 여유 용량을 보유하고 있다는 사실을 이용하여 일반 인터넷 연결을 통해 데이터를 전송할 수 있습니다.

상관기 위치에서 데이터가 재생됩니다.재생 타이밍은 원자 시계 신호와 각 망원경에 무선 신호가 도착하는 예상 시간에 따라 조정됩니다.보통 나노초 범위에서 재생 타이밍의 범위는 올바른 타이밍이 발견될 때까지 테스트됩니다.

VLBI 배열의 각 망원경에서 데이터를 재생합니다.서로 다른 망원경의 데이터 재생을 동기화하려면 매우 주의해야 합니다.데이터와 함께 기록된 원자 클럭 신호는 타이밍을 정확하게 잡는 데 도움이 됩니다.

각 안테나는 무선 소스와 다른 거리가 되며, 짧은 베이스라인 무선 간섭계와 마찬가지로 한 안테나에 대한 추가 거리로 인해 발생하는 지연을 다른 각 안테나에서 수신되는 신호에 인위적으로 추가해야 합니다.필요한 대략적인 지연은 문제의 기하학적 구조에서 계산할 수 있습니다.테이프 재생은 오른쪽 그림과 같이 원자 클럭의 기록된 신호를 시간 기준으로 사용하여 동기화됩니다.안테나의 위치가 충분히 정확하지 않거나 대기의 영향이 큰 경우 간섭 테두리가 검출될 때까지 지연을 미세 조정해야 합니다.안테나 A로부터의 신호를 기준으로 할 경우 지연이 부정확하면 테이프 B 및 C로부터의 신호 위상에서 각각 B \ _ _ 오류가 발생합니다(오른쪽 그림 참조).이러한 오류로 인해 복잡한 가시성의 위상은 매우 긴 기준 간섭계로는 측정할 수 없습니다.

VLBI 사이트의 온도 변화는 안테나의 구조를 변형시켜 기준선 [3][4]측정에 영향을 줄 수 있습니다.관측 수준에서 대기압 및 수문 부하 보정을 무시하면 Global Navigation Satellite System 시계열과 [4]같이 연간 및 계절 신호를 도입하여 VLBI 측정을 오염시킬 수도 있습니다.

복잡한 가시성의 위상은 소스 밝기 분포의 대칭에 따라 달라집니다.휘도분포는 대칭성분반대칭성분의 합으로 쓸 수 있다.밝기 분포의 대칭 성분은 복잡한 가시성의 실제 부분에만 기여하는 반면, 반 대칭 성분은 가상 부분에만 기여합니다.각 복잡한 가시성 측정의 위상은 초장기선 간섭계로는 결정할 수 없기 때문에 소스 휘도 분포에 대응하는 기여의 대칭성은 알 수 없다.

Roger Clifton Jennison은 폐쇄 단계라고 불리는 관측 가능한 것을 사용하여 지연 오류가 있을 때 가시성 단계에 대한 정보를 얻기 위한 새로운 기술을 개발했습니다.폐색 단계의 초기 실험실 측정은 광학 파장에서 이루어졌지만, 그는 전파 간섭 측정 기술의 더 큰 가능성을 예견했다.1958년에 그는 무선 간섭계를 통해 그 효과를 입증했지만, 1974년에야 장거리 무선 간섭계에 널리 사용되었다.적어도 3개의 안테나가 필요합니다.이 방법은 첫 번째 VLBI 측정에 사용되었으며, 이 접근법의 변형된 형태("자체 보정")가 오늘날에도 여전히 사용되고 있다.

과학적 결과

측지학자인 Chopo Ma는 VLBI의 측지학 용도의 일부를 설명한다.

VLBI에서 도출된 과학적 결과는 다음과 같습니다.

VLBI 어레이

유럽, 캐나다, 미국, 칠레, 러시아, 중국, 한국, 일본, 멕시코, 호주 태국에 여러 VLBI 어레이가 있습니다.세계에서 가장 민감한 VLBI 어레이는 유럽 VLBI 네트워크(EVN)입니다.이는 유럽 최대 규모의 전파 망원경과 유럽 이외의 일부 무선 망원경을 보통 일주일간의 세션으로 통합하는 파트타임 배열로, 데이터는 유럽 VLBI 공동연구소(JIVE)에서 처리된다.미국 전역에 걸쳐 5351마일에 걸친 전용 25미터 망원경 10개를 사용하는 VLBA는 천문측지 기기로 [10]연중 작동하는 가장 큰 VLBI 어레이입니다.EVN과 VLBA의 조합은 글로벌 VLBI라고 불립니다.이러한 어레이 중 하나 또는 양쪽을 HALCA 또는 Spektr-R같은 우주 기반 VLBI 안테나와 결합하면, 얻어진 분해능은 다른 어떤 천문 기구보다 높고 마이크로 아크초 단위로 측정된 정밀도로 하늘을 촬영할 수 있습니다.일반적으로 VLBI는 미국, 구소련 및 호주의 전파 망원경이 하이드록실 매저 선원을 [11]관측하기 위해 연결된 1976년의 주목할 만한 초기 사례와 함께 국제 협력이 제공하는 더 긴 기준선으로부터 이익을 얻었다.이 기술은 현재 우리 은하와 메시에 [1][12][13]87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀을 관측하는 것이 목표인 이벤트 호라이즌 망원경에 의해 사용되고 있다.

e-VLBI

소스 IRC+10420 이미지왼쪽 이미지의 저해상도 이미지는 영국의 MERLIN 어레이로 촬영된 것으로, 태양계의 약 200배의 지름으로 팽창하는 가스 껍질에 의해 생성되는 메저 방출의 껍데기를 보여준다.가스 껍질은 약 900년 전 방출 중심에 있는 초거성(태양 질량의 10배)에서 분출되었다.대응하는 EVN e-VLBI 이미지(오른쪽)는, VLBI 어레이의 해상도가 높기 때문에, 메이저의 구조가 한층 더 세밀하게 표시되고 있습니다.

VLBI는 전통적으로 각 망원경의 신호를 자기 테이프나 디스크기록하고 이를 상관 센터로 전송하여 재생하는 방식으로 작동해 왔습니다.최근에는 [when?]VLBI 전파 망원경을 실시간에 가깝게 연결할 수 있게 되었으며, e-VLBI로 알려진 기술로 VLBI 기술의 현지 시간 기준을 여전히 사용하고 있습니다.유럽에서는 유럽 VLBI 네트워크(EVN)6개의 전파 망원경이 현재 국가 연구 네트워크와 범유럽 연구 네트워크 GEANT2를 통해 초당 기가비트 링크로 연결되었으며,[14] 2011년에 이 새로운 기술을 이용한 첫 번째 천문 실험이 성공적으로 수행되었다.

오른쪽 이미지는 유럽 VLBI 네트워크가 e-VLBI를 사용하여 최초로 제작한 과학입니다.6개의 망원경의 데이터는 JIVE의 유럽 데이터 처리 센터에서 실시간으로 처리되었다.네덜란드 학술 연구 네트워크 SUFnet은 JIVE와 GEANT2 네트워크 간에 6x1 Gbit/s 연결을 제공합니다.

공간 VLBI

훨씬 더 큰 각도 분해능을 찾기 위해 전용 VLBI 위성이 지구 궤도에 배치되어 기준선을 크게 확장했습니다.이러한 공간 전달 어레이 요소를 포함하는 실험을 공간 매우 긴 기준선 간섭계(SVLBI)라고 한다.최초의 [citation needed]SVLBI 실험은 1978년 7월에 발사된 10미터 전파 망원경인 KRT-10을 사용하여 살류트-6 궤도 스테이션에서 수행되었다.

최초의 전용 SVLBI 위성은 8미터 전파 망원경 HALCA로, 1997년 2월에 발사되어 2003년 10월까지 관측되었다.접시의 크기가 작기 때문에, 그것을 통합한 SVLBI 어레이에서는 매우 강한 무선 소스만 관찰될 수 있었습니다.

또 다른 SVLBI 위성인 10미터 전파 망원경 Spektr-R은 2011년 7월에 발사되어 2019년 1월까지 관측되었다.그것은 근점 10,652 km에서 원점 338,541 km에 이르는 매우 타원형의 궤도에 놓였고, 위성 및 지상 어레이를 통합한 SVLBI 프로그램인 RadioAstron이 지금까지 가장 큰 전파 간섭계였다.시스템의 분해능은 8마이크로아크에 달했다.

국제 측지 및 측성 VLBI 서비스

International VLBI Service for Geodesy and Astrometry(IVS)는 (VLBI)를 사용하여 천체 전파원을 관측하여 지구 지향 파라미터(EOP)와 천체 기준 프레임(CRF) 및 지상 기준 프레임(TRF)[15]을 정확하게 결정하는 것이 목적인 국제 협력이다.IVS는 국제천문연맹(IAU)과 국제측지학협회(IAG)[16]에서 운영하는 서비스입니다.

레퍼런스

  1. ^ a b c The Event Horizon Telescope Collaboration (April 10, 2019). "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole". The Astrophysical Journal Letters. 875 (1): L1. arXiv:1906.11238. Bibcode:2019ApJ...875L...1E. doi:10.3847/2041-8213/ab0ec7.
  2. ^ R. C. Jennison (1958). "A Phase Sensitive Interferometer Technique for the Measurement of the Fourier Transforms of Spatial Brightness Distributions of Small Angular Extent". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 119 (3): 276–284. Bibcode:1958MNRAS.118..276J. doi:10.1093/mnras/118.3.276.
  3. ^ Wresnik, J.; Haas, R.; Boehm, J.; Schuh, H. (2007). "Modeling thermal deformation of VLBI antennas with a new temperature model". Journal of Geodesy. 81 (6–8): 423–431. Bibcode:2007JGeod..81..423W. doi:10.1007/s00190-006-0120-2. S2CID 120880995.
  4. ^ a b Ghaderpour, E. (2020). "Least-squares wavelet and cross-wavelet analyses of VLBI baseline length and temperature time series: Fortaleza-Hartrao-Westford-Wettzell". Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 133: 1019. doi:10.1088/1538-3873/abcc4e. S2CID 234445743.
  5. ^ "The ICRF". IERS ICRS Center. Paris Observatory. Retrieved 25 December 2018.
  6. ^ "International Celestial Reference System (ICRS)". United States Naval Observatory. Retrieved 25 December 2018.
  7. ^ Urban, Sean E.; Seidelmann, P. Kenneth, eds. (2013). Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, 3rd Edition. Mill Valley, California: University Science Books. pp. 176–7. ISBN 978-1-891389-85-6.
  8. ^ "Radio astronomers confirm Huygens entry in the atmosphere of Titan". European Space Agency. January 14, 2005. Retrieved March 22, 2019.
  9. ^ Clery, Daniel (April 10, 2019). "For the first time, you can see what a black hole looks like". Science. AAAS. Retrieved April 10, 2019.
  10. ^ "Very Long Baseline Array (VLBA)". National Radio Astronomy Observatory. Archived from the original on June 11, 2012. Retrieved May 30, 2012.
  11. ^ 제1지구 전파 망원경, 천체 관측소, 1976년 10월
  12. ^ Bouman, Katherine L.; Johnson, Michael D.; Zoran, Daniel; Fish, Vincent L.; Doeleman, Sheperd S.; Freeman, William T. (2016). "Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction". 2016 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). pp. 913–922. arXiv:1512.01413. doi:10.1109/CVPR.2016.105. hdl:1721.1/103077. ISBN 978-1-4673-8851-1. S2CID 9085016.
  13. ^ Webb, Jonathan (8 January 2016). "Event horizon snapshot due in 2017". bbc.com. BBC News. Retrieved 2017-10-22.
  14. ^ "Astronomers Demonstrate a Global Internet Telescope". Retrieved 2011-05-06.
  15. ^ Nothnagel, A.; Artz, T.; Behrend, D.; Malkin, Z. (8 September 2016). "International VLBI Service for Geodesy and Astrometry". Journal of Geodesy. 91 (7): 711–721. Bibcode:2017JGeod..91..711N. doi:10.1007/s00190-016-0950-5. S2CID 123256580.
  16. ^ Schuh, H.; Behrend, D. (October 2012). "VLBI: A fascinating technique for geodesy and astrometry". Journal of Geodynamics. 61: 68–80. Bibcode:2012JGeo...61...68S. doi:10.1016/j.jog.2012.07.007. hdl:2060/20140005985.

외부 링크