Wie hat Arecibo Methanseen auf Titan entdeckt und Saturnringe abgebildet?

Diese Antwort auf die weiteste Entfernung zu einem Objekt des Sonnensystems, das mit Radar gemessen wurde? erwähnt, dass Saturns Ringe und das Uncover Travel Post Arecibo Observatory in Puerto Rico - das weltweit größte Radioteleskop seit über 50 Jahren - erwähnen:

Unter anderen Leistungen des Arecibo-Observatoriums sind:

• Direkte Abbildung eines Asteroiden zum ersten Mal in der Geschichte.
• Entdeckung von Wassereisablagerungen an den Polen von Merkur.
• Verfolgung erdnaher Asteroiden zur Überwachung des Aufprallrisikos.
• Kartierung der wolkenbedeckten Oberfläche der Venus.
• Radarbildgebung der Saturnringe, die neue Details der Ringstruktur enthüllt.
• Erste Entdeckung von Methanseen auf Titan, einem Saturnmond.
• Erster Nachweis eines Asteroiden mit Mond.

Frage: Wie hat Arecibo Methanseen auf Titan entdeckt und Saturnringe abgebildet? Dies sind ziemlich bemerkenswerte Leistungen der Erde für ein einzelnes Radioteleskop. Wie wurden sie gemacht? Können Zitate gefunden und Beispiele für das Bild der Ringe und des Methansees gezeigt werden?

Titan "Seen":

Veröffentlicht Open Access in Science: Radarbeweise für flüssige Oberflächen auf Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM und Ostro, SJ, Science 302 , 5644, S. 431-434, 17. Oktober 2003 DOI: 10.1126 / science. 1088969

Dies war ein wirklich elegantes Experiment! Eine kontinuierliche, unmodulierte, zirkular polarisierte 13-cm-Welle wurde von Arecibo in Richtung des Saturn / Titan-Systems gesendet, und die Doppler-Verschiebung wurde verwendet, um das zurückgesendete Signal von Titan zu isolieren.

Der größte Teil der Oberfläche ist rau, daher wird ein Signal von Bereichen auf der gesamten Titanscheibe zurückgegeben. Da sich der Mond dreht, wenn auch langsam, wird die von der "linken" und "rechten" Seite zurückgegebene Leistung auf höhere und niedrigere Frequenzen verschoben.

Während einiger Beobachtungszeiten gab es jedoch eine sehr starke und ausgeprägte Reflexion mit einer Doppler-Verschiebung von Null in Bezug auf die bekannte Radialgeschwindigkeit von Titan, und dieser Peak wird der Spiegelreflexion zugeschrieben. Überprüfungen der empfangenen Polarisation bestätigen, dass sich die angenommene Spiegelkomponente nur im erwarteten zirkularen Polarisationszustand befindet, während die Leistung von der rauen Oberfläche in beiden zirkularen Polarisationszuständen zurückgegeben wird.

Wie in @Martin Kochanskis nachdenklicher Antwort ausgeführt, gibt es aus der Radarbeobachtung keine Feststellung, dass die zurückgegebene Spiegelreflexion von Methan stammt. Dies ist einfach ein vermuteter Bestandteil der vermuteten Seen, basierend auf bekannten Informationen über die Chemie des Titanen zu der Zeit (2003).

Wir beobachteten Titan in 16 Nächten im November und Dezember 2001 und in 9 Nächten im November und Dezember 2002, sendeten mit dem 305-m-Arecibo-Teleskop bei einer Wellenlänge von 13 cm und empfingen das Echo mit Arecibo. Die Rotations- und Umlaufzeiten des Titanen betragen 15,9 Tage, und unsere Beobachtungen von 2001 wurden in einem einheitlichen Längenintervall von 22,6 ° (~ 800 km) erhalten. Die 9 Beobachtungen im Jahr 2002 lieferten keine einheitliche Abdeckung. Der Breitengrad der Untergrundspur betrug 2001 25,9 ° S und 2002 26,2 ° S, die am weitesten südlich gelegene Exkursion. Die Hin- und Rücklichtzeit zum Saturn-System während der Beobachtungen betrug 2 Stunden und 15 Minuten, und die begrenzte Verfolgungszeit des Arecibo-Teleskops bedeutete, dass der Signalempfang auf 30 Minuten pro Tag beschränkt war, was 0,5 ° Titanrotation entspricht (20) km Bewegung des Untergrundpunktes). In einer Nacht im Jahr 2001 und für die meisten Beobachtungen von 2002 (sowie für andere, als wir versuchten, Messungen auf Titan durchzuführen) wurde das 100-m-Green-Bank-Teleskop (GBT) auch verwendet, um das Echo für die gesamte Rundreise zu empfangen Zeit. Diese Daten haben niedrigere Signal-Rausch-Verhältnisse als diejenigen, die mit Arecibo erhalten wurden, der das Echo empfängt, aber die längere Empfangszeit, die 2,1 ° Titandrehung entspricht, ermöglichte die Untersuchung von mehr Untergrundorten.

Hier sind einige der Titan-Daten:

Abb. 3. Das OC-Radarechospektrum bei einer Auflösung von 1,0 Hz für die Beobachtung von 2002 bei einer Länge von 80 ° unter der Erde. Der normalisierte Querschnitt für die Spiegelkomponente des Echos und die RMS-Steigung beträgt 0,023 bzw. 0,2 °.

Klicken Sie für die volle Größe

Abb. 1. Arecibo-Radarechospektren aus den Daten von 2001 für fünf Längengrade auf Titan. Die Spektren werden sowohl für den erwarteten (OC) Sinn der empfangenen Zirkularpolarisation als auch für den kreuzpolarisierten (SC) Sinn gezeigt. Die Ordinate ist in Standardabweichungen des Rauschens. Die Doppler-verbreiterte Bandbreite von Glied zu Glied für Titan beträgt 325 Hz. Vier der OC-Spektren zeigen Hinweise auf eine Spiegelkomponente bei 0 Hz.

Saturnringe "abgebildet" (Delay-Doppler):

Aus der Radarbildgebung von Saturnringen Nicholson, PD et al., Icarus 177 (2005) 32–62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

Das "Bild" unten ist kein herkömmliches Bild, da die Arecibo-Schale keine Möglichkeit hat, die Querfläche des Saturn und seiner Ringe räumlich aufzulösen. Es handelt sich um ein "Delay-Doppler" -Bild mit 12,6 cm (500 kW) Radarsendungen, die von Arecibo übertragen werden. Die Umlaufzeit betrug ca. 135 Minuten. Da Arecibo nur begrenzt vom Zenit (<19,7 Grad) weglenkt, stand der Saturn selbst unter idealen Bedingungen nur 166 Minuten lang zur Verfügung.

Die vertikale Achse zeigt eine Verzögerung von ungefähr +/- 800 Millisekunden, was eine räumliche Auflösung zeigt, jedoch in radialer oder Tiefenrichtung. Die horizontale Achse ist die Doppler-Verschiebung. Die Verschiebung von +/- 300 kHz repräsentiert die Umlaufgeschwindigkeit der Partikel in den Ringen.

Während die obige Titan-Spiegelreflexion mit einem kontinuierlichen oder CW-Strahl durchgeführt wurde, erfordert die Verzögerungsdoppler-Bildgebungstechnik eine Frequenzmodulation des Strahls mit einem Frequenzsprungmuster. Durch Anwenden einer Korrelationsfunktion unter Verwendung des bekannten Musters auf die aufgezeichneten empfangenen Signale können Komponenten mit unterschiedlichen Rückkehrzeiten und unterschiedlichen Doppler-Verschiebungen extrahiert werden, und die Ergebnisse werden dann hzstogrammiert, wodurch das folgende Verzögerungs-Doppler-Bild erzeugt wird.

Dies ist eine Standardtechnik und wurde verwendet, um andere Planeten und Asteroiden abzubilden: Siehe die folgenden Elemente und Referenzen in:

• diese Antwort auf Was verursacht "Nord-Süd-Mehrdeutigkeit", wenn Doppler-Radar einen Planetenoberflächenäquator abbildet?
• Warum haben Radarkarten der Venusoberfläche fehlende Schichten?
• Wie ist die physikalische Geometrie dieser scheinbaren „Sonnenfinsternis“ eines winzigen Mondes des Asteroiden Florenz?
• Ist eine Delay-Doppler-Radarbildgebung von NEO-Asteroiden nur möglich, wenn sie sich schnell genug dreht?

Abb. 2. Verzögerungs-Doppler-Bilder, die aus Daten erstellt wurden, die in (a) Oktober 1999, (b) November 2000, (c) Dezember 2001 und (d) Januar 2003 erhalten wurden. Sowohl OC- als auch SC-Polarisationen wurden kombiniert, um das Signal zu maximieren Rausch-Verhältnis. Beachten Sie die vier hellen Bereiche in jedem Bild, in denen die Verzögerungs- und Dopplerzellen parallel sind und in denen sich die A- und B-Ringe zu kreuzen scheinen.

Es wurden keine Methanseen entdeckt.

Es stellte sich heraus, dass Titan (in Bezug auf das Radar) glänzend war: Das heißt, die Reflexionen stammten eher von einer glatten als von einer rauen Oberfläche und waren gleichzeitig nicht sehr intensiv.

Infolgedessen (unter Berufung auf den Artikel Radar von New Scientist aus dem Jahr 2003 enthüllt Radar die Methanseen von Titan, die in einem der Kommentare zu Ihrer Frage verknüpft sind): „ Einige Forscher glauben, dass es sich um Methanseen handelt, die in Einschlagkratern sitzen. Andere Forscher denken möglicherweise an andere Erklärungen.

Wenn wir wissen , kommen aus anderen Beweise und Argumentation oder einfach nur durch Eliminierung, dass es sind Methan Seen auf Titan, dann kann Arecibo behaupten sie gesehen zu haben. Aber an sich liefert es keinen Beweis dafür, dass es sich um Methan oder sogar um Seen handelt.

Wenn jemand 1961 ein Weltraumteleskop gestartet und hochwertige Farbbilder des Mars erstellt hätte, hätte er nach dem Arecibo-Prinzip „Erste Erkennung des saisonalen Vegetationszyklus auf dem Mars“ behaupten können, da zu diesem Zeitpunkt die meisten Wissenschaftler glaubten das war es, was die saisonalen Farbveränderungen waren.