Como Arecibo detectou lagos de metano em Titã e imaginou os anéis de Saturno?

Esta resposta à maior distância de um objeto do sistema solar que foi medido por radar? menciona que os anéis de Saturno e o Uncover Travel post Arecibo Observatory, Porto Rico - O maior telescópio de rádio do mundo há mais de 50 anos menciona:

Entre outras realizações do Observatório de Arecibo estão:

• Imagem direta de um asteróide pela primeira vez na história.
• Descoberta de depósitos de gelo de água nos pólos de Mercúrio.
• Rastreamento de asteróides próximos à Terra para monitorar riscos de impacto.
• Mapeando a superfície coberta de nuvens de Vênus.
• Imagem por radar dos anéis de Saturno, revelando novos detalhes da estrutura do anel.
• Primeira detecção de lagos de metano em Titã, uma lua de Saturno.
• Primeira detecção de um asteróide com uma lua.

Pergunta: Como Arecibo detectou lagos de metano em Titã e imaginou os anéis de Saturno? Esses são feitos notáveis ​​da Terra para um único radiotelescópio. Como eles foram feitos? As citações podem ser encontradas e os exemplos da imagem dos anéis e das evidências do lago de metano podem ser mostrados?

"Lagos" de Titã:

Publicado em Acesso Aberto em Ciência: Evidência de Radar para Superfícies Líquidas em Titan Campbell, DB, Black, GJ, Carter, LM, e Ostro, SJ, Science 302 , 5644, pp. 431-434, 17 de outubro de 2003 DOI: 10.1126 / science. 1088969

Este foi um experimento realmente elegante! Uma onda contínua, não modulada e de polarização circular de 13 cm foi transmitida de Arecibo em direção ao sistema Saturno / Titã, e o deslocamento Doppler foi usado para isolar o sinal retornado de Titã.

A maior parte da superfície é áspera, de modo que o sinal é retornado de áreas em todo o disco de Titã e, como a lua gira, embora lentamente, a energia retornada dos lados "esquerdo" e "direito" é deslocada para frequências mais altas e mais baixas.

No entanto, durante alguns períodos de observação, houve uma reflexão muito forte e pronunciada, com desvio Doppler zero em relação à velocidade radial conhecida de Titã, e esse pico é atribuído à reflexão especular. As verificações na polarização recebida confirmam que, enquanto a energia da superfície rugosa é retornada nos dois estados de polarização circular, o componente especular presumido está apenas no estado esperado de polarização circular.

Como apontado na resposta ponderada de @Martin Kochanski, não é determinado pela observação do radar que a reflexão especular retornada vem do metano. Este é simplesmente um componente presumido dos lagos presumidos, com base em informações conhecidas sobre a química de Titã na época (2003).

Observamos Titan em 16 noites em novembro e dezembro de 2001 e em 9 noites em novembro e dezembro de 2002, transmitindo a 13 cm de comprimento de onda com o telescópio Arecibo de 305 m e recebendo o eco com Arecibo. Os períodos rotacionais e orbitais de Titã são 15,9 dias e nossas observações de 2001 foram obtidas em um intervalo uniforme de 22,6 ° (∼800 km) de longitude. As 9 observações em 2002 não forneceram cobertura uniforme. A latitude da trilha da subterra era de 25,9 ° S em 2001 e 26,2 ° S em 2002, sua excursão mais ao sul. O tempo de luz de ida e volta para o sistema Saturno durante as observações foi de 2 horas e 15 minutos, e o tempo limitado de rastreamento do telescópio Arecibo fez com que a recepção do sinal fosse restrita a ~ 30 minutos por dia, correspondendo a 0,5 ° da rotação do Titã (20). km de movimento do ponto subearte). Em uma noite de 2001 e para a maioria das observações de 2002 (assim como outras quando tentávamos medir medições a Titan), o Telescópio de 100 m do Green Bank (GBT) também foi usado para receber o eco da ida e volta completa Tempo. Esses dados têm relações sinal / ruído mais baixas do que as obtidas com Arecibo recebendo o eco, mas o tempo de recebimento mais longo correspondente a 2,1 ° de rotação do Titã permitiu que mais locais de subárter fossem estudados.

Aqui estão alguns dados do Titan:

Fig. 3. O espectro de eco do radar de OC na resolução de 1,0 Hz para a observação de 2002 na longitude de 80 °. A seção transversal normalizada para o componente especular do eco e a inclinação do RMS são 0,023 e 0,2 °, respectivamente.

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Fig. 1. Espectros de eco de radar de Arecibo a partir dos dados de 2001 para cinco longitudes de subárter em Titã. Os espectros são mostrados para o sentido esperado (OC) da polarização circular recebida e o sentido polarizado cruzado (SC). A ordenada está em desvios padrão do ruído. A largura de banda ampliada por Doppler de membro a membro do Titan é de 325 Hz. Quatro dos espectros de OC mostram evidências de um componente especular a 0 Hz.

Os anéis de Saturno "fotografaram" (delay-Doppler):

Das imagens por radar dos anéis de Saturno Nicholson, PD et al., Icarus 177 (2005) 32–62, doi: 10.1016 / j.icarus.2005.03.023

A "imagem" abaixo não é convencional, já que a antena de Arecibo não tem como resolver espacialmente a extensão transversal de Saturno e seus anéis. É uma imagem "delay-Doppler", usando transmissões de radar de 12,6 cm, ~ 500 kW, transmitidas por Arecibo. O tempo de luz de ida e volta foi de cerca de 135 minutos. Como Arecibo limitou a direção do zênite (<19,7 graus), o Saturn máximo estava disponível apenas durante 166 minutos, mesmo em condições ideais.

O eixo vertical mostra um atraso de cerca de +/- 800 milissegundos que demonstra a resolução espacial, mas na direção radial ou de profundidade. O eixo horizontal é o deslocamento Doppler. O deslocamento de +/- 300 kHz representa a velocidade orbital das partículas nos anéis.

Enquanto a reflexão especular do Titan acima foi feita com um feixe contínuo ou CW, a técnica de imagem com atraso-doppler requer uma modulação de frequência do feixe com um padrão de salto de frequência. Aplicando uma função de correlação usando o padrão conhecido aos sinais recebidos gravados, componentes com diferentes tempos de retorno e diferentes turnos de Doppler podem ser extraídos, e os resultados são então hzstogramados, produzindo a imagem de atraso-Doppler abaixo.

Esta é uma técnica padrão e foi usada para criar imagens de outros planetas e asteróides: Consulte os seguintes itens e referências em:

• Esta resposta para O que causa “ambiguidade Norte-Sul” quando o radar doppler imagina um equador de superfície do planeta?
• Por que os mapas de radar da superfície de Vênus têm fatias ausentes?
• Qual é a geometria física desse aparente "eclipse" de uma pequena lua do asteróide Florença?
• A imagem por radar com doppler retardado dos asteróides NEO é possível apenas se girar rápido o suficiente?

Fig. 2. Imagens de atraso-Doppler construídas a partir de dados obtidos em (a) outubro de 1999, (b) novembro de 2000, (c) dezembro de 2001 e (d) janeiro de 2003. As polarizações de OC e SC foram combinadas para maximizar o sinal para relação de ruído. Observe as quatro regiões brilhantes em cada imagem em que as células Doppler e atraso são paralelas e onde os anéis A e B parecem se cruzar.

Não detectou lagos de metano.

Ele descobriu que Titã era brilhante (em termos de radar): ou seja, os reflexos eram de uma superfície lisa e não áspera e, ao mesmo tempo, não muito intensos.

Como resultado (citando o artigo da New Scientist de 2003, Radar revela os lagos de metano de Titan vinculados em um dos comentários à sua pergunta), “ alguns pesquisadores acreditam que esses são lagos de metano, localizados em crateras de impacto. Outros pesquisadores podem pensar em diferentes explicações.

Se chegamos a conhecer, a partir de outras evidências e raciocínio ou apenas por eliminação, que são lagos de metano em Titã, então Arecibo pode reivindicar ter visto. Mas, por si só, não fornece evidências de que eles sejam metano, ou mesmo que sejam lagos.

Da mesma forma, se alguém tivesse lançado um telescópio espacial em 1961 e produzido imagens coloridas de Marte de alta qualidade, poderia ter reivindicado, no princípio de Arecibo, “Primeira detecção do ciclo sazonal da vegetação em Marte”, já que na época a maioria dos cientistas acreditava era isso que eram as mudanças sazonais de cores.