NASAs rumgeodæsiprojekt kortlægger en lys fremtid

I april 2019, et internationalt hold på mere end 300 videnskabsmænd afslørede de første optagede billeder af et sort hul, dens mørke skygge og levende orange skive kigger tilbage på tværs af 55 millioner lysår i rummet. At tage billeder fra så langt væk krævede den kombinerede kraft af otte radioteleskoper på tværs af fire kontinenter, arbejder sammen om i det væsentlige at danne et massivt teleskop i jordstørrelse kaldet Event Horizon Telescope (EHT).

Teknologien, der driver EHT-billeddannelse, bruges også af forskere ved NASA og på verdensplan til at måle Jorden. Meget lang baseline interferometri, eller VLBI, er en teknik, der kombinerer bølgeformer optaget af to eller flere radioteleskoper. Dette alsidige værktøj bruges ikke kun i astronomi, men også geodæsi:Videnskaben om at måle Jordens størrelse, form, rotation og orientering i rummet.

Geodesy lader os se kort på vores telefoner, måle hav tidevand, planlægge raketopsendelser, kalibrere ure, prognose jordskælv, spore tsunamier og vedligeholde satellitbaner. Som et geodætisk værktøj, VLBI hjælper videnskabsmænd med præcist at måle afstande og topografi og spore ændringer i Jordens overflade og rotation over tid. Forskere ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og MIT's Haystack Observatory i Westford, Massachusetts, banebrydende for den geodætiske brug af VLBI i 1960'erne.

I dag, NASA, MIT Haystack og andre partnere samarbejder om at forbedre og udvide geodætiske stationer rundt om i verden som en del af NASAs Space Geodesy Project (SGP). MIT Haystack fungerer som omdrejningspunktet for hardware- og softwareudvikling, der gavner både astronomi og geodæsi, samarbejde med National Science Foundation for at støtte EHT og med NASA for at booste SGP. Sammen, at synergi bidrog direkte til at realisere billedet af det sorte hul, mens man arbejdede hen imod mindre, hurtigere radioteleskoper, mere automatisering og adgang til flere geodætiske værktøjer på samme sted, muliggør mere præcise kort, diagrammer, flyveveje og -baner end nogensinde før.

VLBI:Alt om den baseline

Radioteleskoper måler radiobølger. Disse bølger er svagere og svagere end synligt lys, men de trænger gennem interstellart støv og gasser og interferens fra Jordens egen atmosfære på måder, som synligt lys ikke kan. De giver også astronomer information om rum, der ikke findes i det synlige spektrum.

At se radiobølger kræver store, følsomme teleskoper. Et VLBI-array har forstørrelseskraft, eller "vinkelopløsning, " svarende til et enkelt teleskop med en skål så bred som den længste basislinje mellem to teleskoper i arrayet. (F.eks. EHT's fjerneste teleskoper var adskilt af mere end 7, 000 miles, svarende til et enkelt teleskop mere end dobbelt så bredt som USA.) Hvert teleskop i EHT-arrayet fangede radiobølgerne udsendt af det sorte hul fra en unik vinkel, afhængig af deres placering på Jorden. Tilføjelse af alle disse observationer sammen med en kraftfuld computer gav de endelige billeder.

I 1960'erne, forskere ved NASA Goddard og MIT Haystack indså, at denne lille forskel i perspektiv var en værdifuld kilde til information - ikke kun om rummet, men om Jorden.

"Det grundlæggende princip for geodætisk VLBI er, at radiobølger, der kommer ind fra en fjern kilde, rammer den ene station før den anden, " sagde Stephen Merkowitz, leder af NASAs Space Geodesy Project. "Vi bruger kvasarer, som er meget fjerne aktive galakser, så langt væk, at de er fikspunkter på himlen. Vi måler tidsforsinkelsen mellem, hvornår signalet rammer disse to punkter, og konverter til en afstand ved hjælp af lysets hastighed."

Jordens rotation får tidsforsinkelsen mellem kvasarsignalerne observeret af VLBI-stationerne til at ændre sig, giver forskerne mulighed for præcist at måle rotationens hastighed. De kan også bruge disse data til at måle placeringen og afstanden mellem VLBI-stationerne, og ved at gentage disse målinger over tid, kan observere selv små, langsomme ændringer af jordens overflade, som kontinentaldrift.

VLBI's måske vigtigste funktion er at hjælpe med at bygge de internationale terrestriske og himmelske referencerammer. Den terrestriske referenceramme tildeler koordinater til steder på Jorden, inklusive dets centrum, give en konsistent ramme til at relatere målinger til hinanden.

"Antag, at du har en mission, der måler havniveauet i den Mexicanske Golf og har en tidevandsmåler ud for Louisianas kyst, som også tager havniveaumålinger, og du vil binde dem sammen, så du har noget sandhed til rumobservationerne, " sagde Merkowitz. "Hvis de ikke er i samme referenceramme, det kan du ikke. Hvis din ramme ikke er præcis og stabil, der vil introducere alle slags fejl i det uafgjort. Så, en god referenceramme giver dig mulighed for at forbinde forskellige datasæt gennem geolocation."

Den himmelske referenceramme tjener et lignende formål, men i stedet for at skabe en stabil ramme for jordens placeringer, det skaber en ramme for lokalisering af astronomiske objekter. Forskere bruger jordens orienteringsparametre - målinger af tid, orientering og rotation – for at forbinde de to rammer sammen. Dette skaber et totalt system til at geolokalisere objekter i rummet og på Jorden.

Et eksempel på en dagligdags teknologi, der afhænger af disse referencerammer, er Global Positioning System, eller GPS. GPS er afhængig af en konstellation af satellitter, der konstant udsender deres placeringer og tidspunkter til GPS-aktiverede enheder på jorden, fra mobiltelefoner til landbrugsudstyr. Satellitterne i konstellationen er afhængige af Terrestrial Reference Frame og Earth Orientation Parameters for at videregive deres placering, så det er vigtigt at holde disse rammer præcise og præcise for daglige aktiviteter rundt om i verden.

Mængder, vi nogle gange tager for givet, som længden af ​​Jordens dag og hvor hurtigt den roterer, er faktisk ikke konstante, sagde Merkowitz. "De er afhængige af mange forskellige ting som vejret, store massebevægelser som El Niño eller La Niña, og bevægelser af store mængder vand, " forklarede han.

Kortlægning af en kurs for Geodesy's Future

Med Jorden i konstant forandring, geodæsi holder kort nøjagtige, fly og skibe på kurs og satellitmålinger præcise. Faktisk, VLBI og andre værktøjer er afgørende for jordobservationssatellitter som ICESat-2 og instrumenter som GEDI, som begge bruger laserimpulser til at måle strukturerne af iskapper og skove. Uden at vide præcis, hvor rumfartøjet er placeret over Jordens overflade, videnskabsmænd ville ikke være i stand til at foretage denne form for præcisionsmålinger.

"Når du foretager præcis kredsløbsbestemmelse for noget som ICESat-2, det kræver referencerammen som input, " sagde Merkowitz. "ICESat-2 er meget følsom over for fejl, så hvis beregningen af ​​Jordens centrum er slået fra, det udmønter sig i en fejl i de videnskabelige målinger. Præcisionsbanemissioner og missioner, der måler højder, er særligt afhængige af rammen."

I 2007 National Academy of Sciences rapporterede, at landets geodæsi-infrastruktur ældes for hurtigt til at kunne følge med voksende efterspørgsel efter data. Så NASA lancerede Space Geodesy Project for at udvikle og implementere den næste generation af geodætiske stationer, som inkluderer VLBI såvel som andre teknikker, der bruger lasere til præcist at spore satellitter (kaldet satellitlaserafstandsmåling, eller SLR).

De nye VLBI-stationer vil være i stand til at sample på tværs af en bred vifte af frekvenser i stedet for kun to, giver dem mere fleksibilitet til at blive ved med at indsamle data, hvis der er interferens fra Wi-Fi eller andre signaler. Deres mindre størrelse og hurtigere bevægelse vil gøre dem mere tilpasningsdygtige til atmosfæriske forhold, men for at kompensere for de mindre retter (husk, med radioteleskoper, større er bedre), de vil prøve data meget hurtigere. Til sidst, Merkowitz sagde, systemerne vil være i stand til at indsamle data 24 timer i døgnet uden menneskelig opsyn for at give meget hurtigere målinger.

National Academy of Sciences og andre internationale geodætiske foreninger anbefaler, at for de bedste videnskabelige resultater, det opdaterede Space Geodesy Network skal være nøjagtigt inden for en millimeter, eller omkring tykkelsen af ​​et ID-kort. Det bør også være stabilt inden for en tiendedel af en millimeter - bredden af ​​et menneskehår. Denne præcision er afgørende for måling af havniveauer, som stiger med omkring 3,4 millimeter, eller 0,13 tommer, Per år, sagde Merkowitz.

Projektet er i sin første fase:udskiftning af NASAs indenlandske geodætiske stationer med næste generations systemer. NASA installerede for nylig sin tredje indenlandske VLBI-station i Texas; dens næste generation af VLBI-stationer i Hawaii og Maryland er allerede i drift og tager rutinemæssigt målinger.

NASA arbejder også med internationale partnere for at hjælpe med at overføre det internationale VLBI-netværk til næste generations teknologi, sagde Merkowitz. "Internationalt samarbejde er afgørende for rumgeodæsens succes. At måle globale effekter kræver et globalt netværk, og NASA kan ikke gøre dette alene."

Næste generations netværk vil understøtte mere præcis GPS, stadig mere præcise referencerammer og bedre understøttelse af de mange måder, vi bruger kort på i dagens verden. Med hjælp fra VLBI, holdet hjælper os med at vide, hvor vi er – og hvor vi skal hen – med endnu mere nøjagtighed i fremtiden.