¿Cómo detectó Arecibo lagos de metano en Titán y tomó imágenes de los anillos de Saturno?

Titán "lagos":

Acceso abierto publicado en ciencia: evidencia de radar para superficies líquidas en Titán Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM y Ostro, SJ, Science 302 , 5644, pp. 431-434, 17 de octubre de 2003 DOI: 10.1126/science. 1088969

¡ Este fue un experimento realmente elegante! Se transmitió una onda de 13 cm continua, no modulada y polarizada circularmente desde Arecibo hacia el sistema Saturno/Titán, y se usó el desplazamiento Doppler para aislar la señal de retorno de Titán.

La mayor parte de la superficie es rugosa, por lo que hay señales devueltas desde áreas de todo el disco de Titán, y dado que la luna gira, aunque lentamente, la energía devuelta desde los lados "izquierdo" y "derecho" se desplaza a frecuencias más altas y más bajas.

Sin embargo, durante algunos momentos de observación hubo una reflexión muy fuerte y pronunciada con un desplazamiento Doppler cero con respecto a la velocidad radial conocida de Titán, y este pico se atribuye a la reflexión especular. Las comprobaciones de la polarización recibida confirman que, si bien la potencia de la superficie rugosa se devuelve en ambos estados de polarización circular, la supuesta componente especular solo se encuentra en el estado de polarización circular esperado.

Como se señaló en la respuesta reflexiva de @Martin Kochanski, la observación del radar no determina que el reflejo especular devuelto provenga del metano. Este es simplemente un supuesto componente de los presuntos lagos, según la información conocida sobre la química de Titán en ese momento (2003).

Observamos Titán en 16 noches en noviembre y diciembre de 2001 y en 9 noches en noviembre y diciembre de 2002, transmitiendo a una longitud de onda de 13 cm con el telescopio de Arecibo de 305 m y recibiendo el eco con Arecibo. Los períodos rotacional y orbital de Titán son de 15,9 días, y nuestras observaciones de 2001 se obtuvieron en un intervalo uniforme de 22,6° (∼800 km) de longitud. Las 9 observaciones de 2002 no proporcionaron una cobertura uniforme. La latitud de la trayectoria subarterna fue de 25,9°S en 2001 y de 26,2°S en 2002, su excursión más al sur. El tiempo de luz de ida y vuelta al sistema de Saturno durante las observaciones fue de 2 horas y 15 minutos, y el tiempo de seguimiento limitado del telescopio de Arecibo significaba que la recepción de la señal estaba restringida a ~30 minutos por día, lo que corresponde a 0,5° de rotación de Titán (20 km de movimiento del punto subarterra). En una noche de 2001 y para la mayoría de las observaciones de 2002 (así como otras cuando intentábamos medir el alcance de Titán), también se utilizó el Telescopio Green Bank (GBT) de 100 m para recibir el eco del viaje completo de ida y vuelta. tiempo. Estos datos tienen relaciones señal-ruido más bajas que las obtenidas con Arecibo recibiendo el eco, pero el tiempo de recepción más largo correspondiente a 2.1° de rotación de Titán permitió estudiar más ubicaciones subarterrestres.

Estos son algunos de los datos de Titán:

Fig. 3. El espectro de eco del radar OC a una resolución de 1,0 Hz para la observación de 2002 en la longitud subarterra de 80°. La sección transversal normalizada para el componente especular del eco y la pendiente RMS son 0,023 y 0,2°, respectivamente.

Haga clic para tamaño completo

Fig. 1. Espectros de eco de radar de Arecibo de los datos de 2001 para cinco longitudes subartales en Titán. Los espectros se muestran tanto para el sentido esperado (OC) de polarización circular recibida como para el sentido de polarización cruzada (SC). La ordenada está en desviaciones estándar del ruido. El ancho de banda ampliado por Doppler de extremidad a extremidad para Titán es de 325 Hz. Cuatro de los espectros OC muestran evidencia de un componente especular a 0 Hz.

Los anillos de Saturno "observados" (retardo-Doppler):

De imágenes de radar de los anillos de Saturno Nicholson, PD et al., Icarus 177 (2005) 32–62, doi:10.1016/j.icarus.2005.03.023

La "imagen" de abajo no es una imagen convencional, ya que el plato de Arecibo no tiene forma de resolver espacialmente la extensión transversal de Saturno y sus anillos. Es una imagen de "retardo-Doppler", que utiliza transmisiones de radar de 12,6 cm y ~500 kW transmitidas por Arecibo. El tiempo de luz de ida y vuelta fue de unos 135 minutos. Debido a que Arecibo tiene un desvío limitado del cenit (<19.7 grados), Saturno máximo solo estuvo disponible para el plato durante 166 minutos, incluso en condiciones ideales.

El eje vertical muestra un retraso de aproximadamente +/- 800 milisegundos, lo que demuestra la resolución espacial, pero en la dirección radial o de profundidad. El eje horizontal es el desplazamiento Doppler. El cambio de +/- 300 kHz representa la velocidad orbital de las partículas en los anillos.

Mientras que la reflexión especular de Titán anterior se realizó con un haz continuo o CW, la técnica de imágenes Doppler de retardo requiere una modulación de frecuencia del haz con un patrón de salto de frecuencia. Al aplicar una función de correlación utilizando el patrón conocido a las señales recibidas registradas, se pueden extraer componentes con diferentes tiempos de retorno y diferentes desplazamientos Doppler, y los resultados luego se histograman, produciendo la siguiente imagen Doppler de retardo.

Esta es una técnica estándar y se ha utilizado para obtener imágenes de otros planetas y asteroides: consulte los siguientes elementos y referencias en:

• esta respuesta a ¿Qué causa la "ambigüedad norte-sur" cuando el radar doppler toma imágenes del ecuador de la superficie de un planeta?
• ¿Por qué a los mapas de radar de la superficie de Venus les faltan cortes?
• ¿Cuál es la geometría física de este aparente “eclipse” de una pequeña luna del asteroide Florence?
• ¿Son posibles las imágenes de radar doppler retardado de los asteroides NEO solo si giran lo suficientemente rápido?

Fig. 2. Imágenes Doppler de retardo construidas a partir de datos obtenidos en (a) octubre de 1999, (b) noviembre de 2000, (c) diciembre de 2001 y (d) enero de 2003. Las polarizaciones OC y SC se combinaron para maximizar la señal a proporción de ruido. Observe las cuatro regiones brillantes en cada imagen donde las celdas de retardo y Doppler son paralelas y donde los anillos A y B parecen cruzarse entre sí.

No detectó lagos de metano.

Descubrió que Titán era brillante (en términos de radar): es decir, los reflejos provenían de una superficie lisa en lugar de una rugosa y, al mismo tiempo, no muy intensos.

Como resultado (citando el artículo de 2003 de New Scientist, Radar revela los lagos de metano de Titán vinculados en uno de los comentarios a su pregunta), “ algunos investigadores creen que estos son lagos de metano, ubicados en cráteres de impacto. Otros investigadores pueden pensar en diferentes explicaciones.

Si llegamos a saber, a partir de otra evidencia y razonamiento o simplemente por eliminación, que hay lagos de metano en Titán, entonces Arecibo puede afirmar haberlos visto. Pero por sí mismo no proporciona evidencia de que sean metano, o incluso de que sean lagos.

Del mismo modo, si alguien hubiera lanzado un telescopio espacial en 1961 y producido imágenes en color de alta calidad de Marte, podría haber afirmado, según el principio de Arecibo, "Primera detección del ciclo estacional de la vegetación en Marte", ya que en ese momento la mayoría de los científicos creían que eso era lo que eran los cambios de color estacionales.