Bagaimana Arecibo mendeteksi danau metana di Titan, dan membayangkan cincin Saturnus?

Jawaban untuk jarak terjauh ke objek tata surya yang diukur dengan radar? menyebutkan bahwa cincin Saturnus, dan pos Penyingkap Perjalanan Arecibo Observatory, Puerto Rico - Teleskop Radio Terbesar Di Dunia Selama Lebih Dari 50 Tahun menyebutkan:

Di antara prestasi lain dari Observatorium Arecibo adalah:

• Pencitraan langsung dari asteroid untuk pertama kalinya dalam sejarah.
• Penemuan endapan es air di kutub Merkurius.
• Pelacakan asteroid dekat-Bumi untuk memantau risiko dampak.
• Memetakan permukaan Venus yang tertutup awan.
• Pencitraan radar cincin Saturnus, mengungkapkan detail baru dari struktur cincin.
• Deteksi pertama danau metana di Titan, bulan Saturnus.
• Deteksi pertama asteroid dengan bulan.

Pertanyaan: Bagaimana Arecibo mendeteksi danau metana di Titan, dan membayangkan cincin Saturnus? Ini adalah prestasi luar biasa dari Bumi untuk radiotelescope tunggal. Bagaimana mereka melakukannya? Dapatkah kutipan ditemukan dan contoh-contoh gambar cincin dan bukti danau metana ditunjukkan?

Titan "danau":

Akses Terbuka yang Diterbitkan dalam Sains: Bukti Radar untuk Permukaan Cair di Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM, dan Ostro, SJ, Science 302 , 5644, hlm. 431-434, 17 Okt 2003 DOI: 10.1126 / science. 1088969

Ini adalah eksperimen yang sangat elegan! Gelombang 13 cm terus menerus, tidak termodulasi, terpolarisasi sirkuler disiarkan dari Arecibo menuju sistem Saturnus / Titan, dan pergeseran Doppler digunakan untuk mengisolasi sinyal yang dikembalikan dari Titan.

Sebagian besar permukaannya kasar, sehingga ada sinyal yang dikembalikan dari daerah di seluruh cakram Titan, dan karena bulan berputar, meskipun perlahan, daya yang dikembalikan dari sisi "kiri" dan "kanan" dialihkan ke frekuensi yang lebih tinggi dan lebih rendah.

Namun selama beberapa waktu pengamatan ada refleksi yang sangat kuat dan jelas dengan nol Doppler bergeser sehubungan dengan kecepatan radial Titan yang diketahui, dan puncak ini dikaitkan dengan refleksi specular. Pemeriksaan pada polarisasi yang diterima mengkonfirmasi bahwa sementara daya dari permukaan kasar dikembalikan dalam kedua keadaan polarisasi sirkuler, komponen specular yang diduga hanya dalam keadaan polarisasi sirkular yang diharapkan.

Sebagaimana ditunjukkan dalam jawaban bijaksana @Martin Kochanski, tidak ada tekad dari pengamatan radar bahwa pantulan specular yang dikembalikan berasal dari metana. Ini hanyalah komponen yang diduga dari danau yang diduga, berdasarkan informasi yang diketahui tentang kimia Titan pada waktu itu (2003).

Kami mengamati Titan pada 16 malam pada bulan November dan Desember 2001 dan pada 9 malam pada bulan November dan Desember 2002, mentransmisikan pada panjang gelombang 13 cm dengan teleskop Arecibo 305 m dan menerima gema dengan Arecibo. Periode rotasi dan orbit Titan adalah 15,9 hari, dan pengamatan kami pada tahun 2001 diperoleh pada interval 22,6 ° (∼800 km) yang seragam dalam garis bujur. 9 pengamatan di tahun 2002 tidak memberikan cakupan yang seragam. Lintang jalur subearth adalah 25,9 ° S pada tahun 2001 dan 26,2 ° S pada tahun 2002, perjalanan paling jauh ke selatan. Waktu cahaya pulang pergi ke sistem Saturnus selama pengamatan adalah 2 jam 15 menit, dan waktu pelacakan terbatas dari teleskop Arecibo berarti bahwa penerimaan sinyal dibatasi hingga to30 menit per hari, sesuai dengan 0,5 ° rotasi Titan (20). km pergerakan titik subearth). Pada suatu malam di tahun 2001 dan untuk sebagian besar pengamatan tahun 2002 (juga yang lainnya ketika kami mencoba pengukuran jarak ke Titan), Teleskop Bank Hijau 100-m (GBT) juga digunakan untuk menerima gema untuk perjalanan pulang-pergi penuh waktu. Data-data ini memiliki rasio signal-to-noise yang lebih rendah daripada yang diperoleh dengan Arecibo yang menerima gema, tetapi semakin lama waktu yang sesuai dengan 2,1 ° rotasi Titan memungkinkan lebih banyak lokasi subearth untuk dipelajari.

Berikut adalah beberapa data Titan:

Gambar 3. Spektrum gema radar OC pada resolusi 1,0-Hz untuk pengamatan tahun 2002 di bujur subearth 80 °. Potongan melintang yang dinormalisasi untuk komponen specular gema dan kemiringan RMS masing-masing adalah 0,023 dan 0,2 °.

Klik untuk ukuran penuh

Gambar. 1. Arecibo radar echo spectra dari data tahun 2001 untuk lima garis bujur subearth di Titan. Spectra diperlihatkan untuk indra yang diharapkan (OC) dari polarisasi sirkuler yang diterima dan indra polarisasi-silang (SC). Ordinat dalam standar deviasi kebisingan. Bandwidth yang diperluas Dimbpler-to-limb untuk Titan adalah 325 Hz. Empat dari spektrum OC menunjukkan bukti komponen specular pada 0 Hz.

Cincin Saturnus "dicitrakan" (delay-Doppler):

Dari pencitraan Radar dari cincin Saturnus Nicholson, PD et al., Icarus 177 (2005) 32-62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

"Gambar" di bawah ini bukan gambar konvensional, karena piringan Arecibo tidak memiliki cara untuk secara spasial menyelesaikan bentangan transversal Saturnus dan cincinnya. Ini adalah gambar "delay-Doppler", menggunakan siaran radar 12,6 cm, ~ 500 kW yang ditransmisikan oleh Arecibo. Waktu cahaya pulang pergi sekitar 135 menit. Karena Arecibo telah membatasi kemudi menjauh dari puncak (<19,7 derajat) maks Saturnus hanya tersedia untuk piringan selama 166 menit bahkan dalam kondisi ideal.

Sumbu vertikal menunjukkan penundaan sekitar +/- 800 milidetik yang menunjukkan resolusi spasial, tetapi dalam arah radial atau kedalaman. Sumbu horizontal adalah pergeseran Doppler. Pergeseran +/- 300 kHz mewakili kecepatan orbital partikel dalam cincin.

Sementara refleksi specular Titan di atas dilakukan dengan sinar kontinu atau CW, teknik pencitraan delay-doppler memerlukan modulasi frekuensi balok dengan pola frekuensi-hopping. Dengan menerapkan fungsi korelasi menggunakan pola yang diketahui untuk sinyal yang diterima yang direkam, komponen dengan waktu pengembalian yang berbeda dan pergeseran Doppler yang berbeda dapat diekstraksi, dan hasilnya kemudian hzstogram, menghasilkan gambar delay-Doppler di bawah ini.

Ini adalah teknik standar dan telah digunakan untuk menggambarkan planet dan asteroid lain: Lihat item dan rujukan berikut di dalam:

• jawaban ini untuk Apa yang menyebabkan “Ambiguitas Utara-Selatan” ketika radar doppler sedang menggambar ekuator permukaan planet?
• Mengapa peta radar permukaan Venus kehilangan irisan?
• Apa geometri fisik "gerhana" nyata dari bulan kecil Asteroid Florence ini?
• Apakah pencitraan radar keterlambatan-doppler asteroid NEO hanya mungkin jika berputar cukup cepat?

Gambar 2. Gambar Delay – Doppler yang dibangun dari data yang diperoleh pada (a) Oktober 1999, (b) November 2000, (c) Desember 2001, dan (d) Januari 2003. Kedua polarisasi OC dan SC digabungkan untuk memaksimalkan sinyal ke rasio kebisingan. Perhatikan empat daerah terang di setiap gambar di mana sel-sel delay dan Doppler sejajar dan di mana cincin A dan B tampak saling bersilangan.

Itu tidak mendeteksi danau metana.

Ditemukan bahwa Titan berkilau (dalam istilah radar): yaitu, pantulannya dari permukaan yang halus dan bukan yang kasar, dan pada saat yang sama tidak terlalu kuat.

Akibatnya (mengutip artikel New Scientist 2003, Radar mengungkapkan danau metana Titan yang terhubung dalam salah satu komentar dengan pertanyaan Anda), “ beberapa peneliti percaya bahwa ini adalah danau metana, yang duduk di kawah tumbukan. ”Peneliti lain mungkin memikirkan penjelasan yang berbeda.

Jika kita datang untuk mengetahui, dari bukti-bukti lain dan penalaran atau hanya dengan eliminasi, bahwa ada yang danau metana di Titan, maka Arecibo dapat mengklaim telah melihat mereka. Tetapi dengan sendirinya itu tidak memberikan bukti bahwa mereka adalah metana, atau bahkan mereka adalah danau.

Sama halnya, jika seseorang telah meluncurkan teleskop luar angkasa pada tahun 1961 dan menghasilkan gambar warna Mars yang berkualitas tinggi, mereka dapat mengklaim, berdasarkan prinsip Arecibo, "Pendeteksian pertama siklus vegetasi musiman di Mars", karena pada waktu itu sebagian besar ilmuwan percaya bahwa itulah perubahan warna musiman.