NASA的太空大地测量项目勾勒出光明的未来

作者:柯伊伯 / 公众号:Kuiper_b 发布时间:2019-10-10

2019年4月,一个由300多名科学家组成的国际团队发布了第一张记录的黑洞,黑影和生动的橙色圆盘的影像,它们凝视着5500万光年的空间。从如此遥远的地方获取图像需要跨越四大洲的八台射电望远镜的综合力量,从而共同构成一个巨大的地球大小的望远镜,称为事件地平线望远镜(EHT)。
美国国家航空航天局(NASA)和全世界的科学家还使用支持EHT成像的技术来测量地球。极长的基线干涉测量法或VLBI是一种组合由两个或多个射电望远镜记录的波形的技术。这种多功能工具不仅用于天文学,而且还用于大地测量学:一种测量地球的大小,形状,自转和空间方向的科学。
大地测量学使我们能够在手机上查看地图,测量海潮,计划火箭发射,校准时钟,预测地震,跟踪海啸并维护卫星轨道。作为大地测量工具,VLBI可帮助科学家精确测量距离和地形,并跟踪地球表面随时间的变化和自转。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家,以及位于马萨诸塞州韦斯特福德的麻省理工学院干草堆天文台的科学家,在1960年代率先应用了大地测量法。
今天,作为NASA 太空大地测量项目(SGP)的一部分,NASA,MIT Haystack和其他合作伙伴共同合作,在全球范围内改善和扩展大地测量站。麻省理工学院干草堆是既有利于天文学又有利于大地测量学的硬件和软件开发的枢纽,与美国国家科学基金会合作支持EHT,并与NASA合作促进SGP。总之,这种协同作用直接有助于实现黑洞图像,同时努力实现更小,更快的射电望远镜,更高的自动化程度,并可以在同一位置使用多个大地测量工具,从而实现比以往任何时候都更精确的地图,海图,飞行路径和轨道。
VLBI:关于该基准的一切
射电望远镜测量无线电波。这些波比可见光弱和微弱,但是它们以可见光无法穿透的方式穿透星际尘埃和气体以及来自地球自身大气的干扰。它们还为天文学家提供有关可见光谱中不存在的空间的信息。2007年,美国国家科学院(National Academy of Sciences)报告说,美国大地测量学基础设施的老化速度过快,无法满足对数据不断增长的需求。因此,NASA启动了太空大地测量项目,以开发和部署包括VLBI在内的下一代大地测量站。德克萨斯州的射电望远镜是更新的望远镜之一。学分:德克萨斯大学Eusebio Terrazas
查看无线电波需要大型,灵敏的望远镜。VLBI阵列具有放大能力或“角度分辨率”,相当于一台望远镜,其碟形天线的宽度等于阵列中两个望远镜之间最长的基线。(例如,EHT距离最远的望远镜相距7,000英里,相当于单个望远镜的宽度是美国的两倍多。)EHT阵列中的每个望远镜都从一个独特的位置捕获了黑洞发出的无线电波。角度,取决于它们在地球上的位置。将所有这些观察结果与功能强大的计算机相加,即可得到最终图像。
在1960年代,NASA Goddard和MIT Haystack的科学家意识到,观点上的细微差异是有价值的信息来源-不仅涉及太空,而且涉及地球。
NASA 太空大地测量项目经理Stephen Merkowitz表示:“大地测量VLBI的基本原理是,来自遥远源头的无线电波先到达一个台站。”“我们使用类星体,它们是非常遥远的活跃星系,相距很远,它们是天空中的固定点。我们测量信号到达这两个点之间的时间延迟,并使用光速转换为距离。”
地球的自转会导致VLBI站观测到的类星体信号之间的时间延迟发生变化,从而使科学家能够精确地测量自转的速度。他们还可以使用这些数据来测量VLBI站之间的位置和距离,并通过随时间重复这些测量,可以观察到地球表面的细微缓慢变化,例如大陆漂移。
VLBI最重要的功能也许是帮助建立国际地面和天体参考系。地球参考系将坐标分配给地球上的位置(包括其中心),从而提供了一个将测量相互关联的一致框架。
“假设您执行的任务是测量墨西哥湾的海平面,并在路易斯安那州海岸附近安装一个潮汐仪,同时还要进行海平面测量,并且您想将它们捆绑在一起,以便对太空有一些真实的认识观察”,默科维茨说。“如果它们不在同一个参考系中,则不能这样做。如果您的镜架不精确且不稳定,那将在领带中引入各种错误。因此,良好的参考框架可让您通过地理位置连接不同的数据集。”
天体参考框架有类似的用途,但是它不是为地球位置创建稳定的框架,而是创建用于定位天文物体的框架。科学家使用地球方向参数(时间,方向和自转的度量)将两个框架链接在一起。这将创建一个整体系统,以对空间中和地球上的对象进行地理定位。
依赖于这些参考系的日常技术的一个示例是全球定位系统(GPS)。GPS依靠卫星群不断向从手机到农用设备的地面GPS启用设备广播其位置和时间。星座中的卫星依赖于地面参考框架和地球方向参数来中继其位置,因此保持这些框架的精确性对于世界范围内的日常活动至关重要。
Merkowitz说,有时我们认为理所当然的数量实际上并不是恒定不变的,例如地球一天的长度以及它旋转的速度。他解释说:“它们取决于许多不同的事物,例如天气,像ElNiño或LaNiña这样的大质量运动以及大量水的运动。”随着地球不断变化,大地测量可以保持地图精确,飞机和船只在航线上以及卫星测量的准确性。实际上,VLBI和其他工具对于像ICESat-2这样的对地观测卫星和像GEDI这样的仪器都是至关重要的,它们都使用激光脉冲来测量冰盖和森林的结构。如果不确切知道航天器在地球表面上方的位置,科学家将无法进行此类精确的测量。
“当您对ICESat-2之类的物体进行精确的轨道确定时,它需要参考系作为输入,”默科维茨说。“ ICESat-2对误差非常敏感,因此,如果地球中心的计算不正确,它将转化为科学测量中的误差。精密轨道飞行任务和测量高度的飞行任务尤其取决于框架。”
2007年,美国国家科学院(National Academy of Sciences)报告说,美国大地测量学基础设施的老化速度过快,无法满足对数据不断增长的需求。因此,NASA启动了太空大地测量项目,以开发和部署下一代大地测量站,其中包括VLBI以及其他使用激光精确跟踪卫星的技术(称为卫星激光测距或SLR)。
新的VLBI电台将能够在更宽的频率范围内进行采样,而不仅仅是两个频率,从而使它们在遇到Wi-Fi或其他信号干扰的情况下具有更大的灵活性,可以继续收集数据。它们较小的尺寸和更快的移动速度将使其更适应大气条件,但是要弥补较小的盘子(请记住,用射电望远镜,越大越好),它们将对数据进行更快的采样。Merkowitz说,最终,该系统将能够全天24小时收集数据,而无需人工监督,从而可以提供更快的测量速度。
美国国家科学院和其他国际大地测量协会建议,为了获得最佳的科学成果,更新的太空大地测量网络应精确到1毫米以内,或大约ID卡的厚度。它也应该稳定到十分之一毫米(人发的宽度)以内。Merkowitz说,这一精度对于测量每年增加约3.4毫米(0.13英寸)的海平面至关重要。
该项目处于第一阶段:用下一代系统取代NASA的国内大地测量站。NASA最近在得克萨斯州安装了它的第三个家用VLBI站;它在夏威夷和马里兰州的下一代VLBI站已经投入运行,并定期进行测量。
默科维茨说,美国宇航局还与国际合作伙伴合作,帮助将国际VLBI网络过渡到下一代技术。“国际合作对空间大地测量学的成功至关重要。衡量全球影响需要一个全球网络,而NASA不能单独做到这一点。”
下一代网络将支持更精确的GPS,越来越精确的参考系,并更好地支持我们当今世界上使用地图的多种方式。在VLBI的帮助下,团队将帮助我们更加准确地了解我们所处的位置以及未来的发展方向。横幅图片:作为太空大地测量项目的一部分而建造的位于夏威夷科基公园的下一代射电望远镜比旧式VLBI技术更小,速度更快,使其更适应大气条件。图片来源:NASA

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