Wie hat Arecibo Methanseen auf Titan entdeckt und die Ringe des Saturn abgebildet?

Titan "Seen":

Veröffentlicht Open Access in Science: Radar Evidence for Liquid Surfaces on Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM, und Ostro, SJ, Science 302 , 5644, S. 431-434, 17. Okt. 2003 DOI: 10.1126/science. 1088969

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

Der größte Teil der Oberfläche ist rau, daher werden Signale von Bereichen überall auf Titans Scheibe zurückgesendet, und da sich der Mond dreht, wenn auch langsam, wird die zurückgeworfene Energie von der "linken" und "rechten" Seite zu höheren und niedrigeren 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 diese Spitze wird der Spiegelreflexion zugeschrieben. Überprüfungen der empfangenen Polarisation bestätigen, dass, während die Leistung von der rauen Oberfläche in beiden zirkularen Polarisationszuständen zurückgegeben wird, die vermutete spiegelnde Komponente nur im erwarteten zirkularen Polarisationszustand ist.

Wie in der nachdenklichen Antwort von @Martin Kochanski erwähnt, gibt es keine Feststellung aus der Radarbeobachtung, dass die zurückgesandte Spiegelreflexion von Methan stammt. Dies ist einfach ein vermuteter Bestandteil der vermuteten Seen, basierend auf bekannten Informationen über Titans Chemie zu der Zeit (2003).

Wir beobachteten Titan in 16 Nächten im November und Dezember 2001 und in 9 Nächten im November und Dezember 2002, wobei wir mit dem 305-m-Arecibo-Teleskop bei einer Wellenlänge von 13 cm sendeten und das Echo mit Arecibo empfingen. Titans Rotations- und Umlaufzeit beträgt 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 unterirdischen Spur betrug 2001 25,9° S und 2002 26,2° S, seine weiteste südliche Exkursion. Die Lichtzeit für die Hin- und Rückfahrt zum Saturnsystem während der Beobachtungen betrug 2 Stunden 15 Minuten, und die begrenzte Nachführzeit des Arecibo-Teleskops bedeutete, dass der Signalempfang auf ∼30 Minuten pro Tag beschränkt war, was einer Titanrotation von 0,5° entspricht (20 km Bewegung des unterirdischen Punktes). In einer Nacht im Jahr 2001 und bei den meisten Beobachtungen im Jahr 2002 (sowie bei anderen, als wir versuchten, Messungen zum Titan durchzuführen) wurde das 100-m-Green-Bank-Teleskop (GBT) auch verwendet, um das Echo für die gesamte Hin- und Rückfahrt zu empfangen Zeit. Diese Daten haben niedrigere Signal-Rausch-Verhältnisse als diejenigen, die mit Arecibo erhalten wurden, das das Echo empfängt, aber die längere Empfangszeit, die einer Titan-Rotation von 2,1° entspricht, ermöglichte die Untersuchung von mehr unterirdischen Orten.

Hier sind einige der Titan-Daten:

Abb. 3. Das OC-Radarechospektrum bei 1,0-Hz-Auflösung für die Beobachtung von 2002 bei 80° unterirdischer Länge. Der normalisierte Wirkungsquerschnitt für die Spiegelkomponente des Echos und die RMS-Steigung betragen 0,023 bzw. 0,2°.

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Abb. 1. Arecibo-Radarechospektren aus den Daten von 2001 für fünf unterirdische Längengrade auf Titan. Spektren sind sowohl für die erwartete (OC) Richtung der empfangenen Zirkularpolarisation als auch für die kreuzpolarisierte (SC) Richtung gezeigt. Die Ordinate ist in Standardabweichungen des Rauschens angegeben. Die Doppler-erweiterte Bandbreite von Extremität zu Extremität für Titan beträgt 325 Hz. Vier der OC-Spektren zeigen Hinweise auf eine spiegelnde Komponente bei 0 Hz.

Saturnringe "abgebildet" (Verzögerungs-Doppler):

Aus Radarbildgebung der Saturnringe 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-Schüssel keine Möglichkeit hat, die transversale Ausdehnung des Saturn und seiner Ringe räumlich aufzulösen. Es ist ein "Verzögerungs-Doppler"-Bild, das 12,6 cm, ~500 kW Radarsendungen verwendet, die von Arecibo gesendet werden. Die Hin- und Rücklichtzeit betrug etwa 135 Minuten. Da Arecibo nur begrenzt vom Zenit wegsteuern kann (<19,7 Grad), stand der maximale Saturn selbst unter idealen Bedingungen nur 166 Minuten lang für die Schüssel zur Verfügung.

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

Während die Titan-Spiegelreflexion oben mit einem kontinuierlichen oder CW-Strahl durchgeführt wurde, erfordert die Verzögerungs-Doppler-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 Rücklaufzeiten und unterschiedlichen Dopplerverschiebungen extrahiert werden, und die Ergebnisse werden dann in einem Histogramm aufgezeichnet, wodurch das nachstehende Verzögerungs-Doppler-Bild erzeugt wird.

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

• diese Antwort auf Was verursacht „Nord-Süd-Mehrdeutigkeit“, wenn das Doppler-Radar einen Äquator auf der Planetenoberfläche abbildet?
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• Was ist die physikalische Geometrie dieser scheinbaren „Eklipse“ eines winzigen Mondes des Asteroiden Florence?
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Abb. 2. Delay-Doppler-Bilder, die aus Daten erstellt wurden, die im (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 Regionen in jedem Bild, wo die Verzögerungs- und Dopplerzellen parallel sind und wo die A- und B-Ringe einander zu überkreuzen scheinen.

Methanseen wurden nicht festgestellt.

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

Als Ergebnis (Zitat aus dem New Scientist-Artikel von 2003 Radar enthüllt Titans Methanseen, der in einem der Kommentare zu Ihrer Frage verlinkt ist) „ glauben einige Forscher, dass dies Methanseen sind, die in Einschlagskratern sitzen. “ Anderen Forschern fallen vielleicht andere Erklärungen ein.

Wenn wir aus anderen Beweisen und Argumenten oder einfach durch Eliminierung erfahren, dass es Methanseen auf Titan gibt , dann kann Arecibo behaupten, sie gesehen zu haben. Aber an sich liefert es keinen Beweis dafür, dass es sich um Methan oder gar um Seen handelt.

Wenn jemand 1961 ein Weltraumteleskop gestartet und hochwertige Farbbilder des Mars erstellt hätte, hätte er nach dem Arecibo-Prinzip behaupten können, „Erstnachweis des saisonalen Vegetationszyklus auf dem Mars“, da damals die meisten Wissenschaftler glaubten dass dies die saisonalen Farbänderungen waren.