ويقدم إطار محاكاة لاختبار قدرات التصوير في صفائف الراديو الكبيرة الحجم على سطح القمر. وتناقش مكونات الضوضاء الرئيسية ، ويتم السير عبر خط أنابيب البرمجيات مع تفاصيل حول كيفية تخصيصه للاستخدامات العلمية الجديدة.
في السنوات الأخيرة كان هناك اهتمام متجدد بالعودة إلى القمر لأسباب علمية واستكشافية على حد سواء في الطبيعة. القمر يوفر أرض التدريب المثالي لبناء قواعد واسعة النطاق التي يمكن للمرء أن تنطبق على كواكب أخرى مثل المريخ. ووجود منطقة لاسلكية هادئة على الجانب البعيد القمري يبشر بإجراء دراسات الكون المبكر وعمليات البحث عن الكواكب الخارجية، في حين يوفر الجانب القريب قاعدة مستقرة يمكن استخدامها لمراقبة الانبعاثات المنخفضة الترددات من الغلاف المغنطيسي للأرض التي قد تساعد على قياس استجابتها لطقس الفضاء الوارد. ومن شأن بناء مجموعة الإذاعة الواسعة النطاق أن يوفر عائدات علمية كبيرة، فضلا عن أنه بمثابة اختبار لقدرة البشرية على بناء هياكل على كواكب أخرى. ويركز هذا العمل على محاكاة استجابة صفائف الراديو الصغيرة والكبيرة الحجم على سطح القمر التي تتكون من مئات أو آلاف الهوائيات. تعتمد استجابة الصفيف على بنية الانبعاثات إلى جانب تكوين المصفوفة وحساسيتها. يتم اختيار مجموعة من المواقع لمستقبلات الراديو المحاكاة، باستخدام نماذج الارتفاع الرقمي من جهاز الليزر القمري المدارية في مركبة استطلاع القمر لتحديد مستوى مواقع الاستقبال. يتم وصف رمز تطبيقات برامج علم الفلك المشترك المخصصة واستخدامها لمعالجة البيانات من أجهزة الاستقبال المحاكاة، ومحاذاة القمر والسماء تنسيق الإطارات باستخدام سبايس لضمان استخدام الإسقاطات المناسبة للتصوير. هذا الإطار محاكاة مفيد لتكرار تصميم الصفيف لتصوير أي هدف علمي معين في مجال صغير من الرؤية. لا يدعم هذا الإطار حاليًا جميع صور السماء.
بدأ مجال علم الفلك الراديوي في عام 1932 مع الكشف العرضي للانبعاثات الراديوية المجرية من قبل كارل ج. جانسكي1 في 20 ميغاهرتز، في نطاق يسمى الآن الراديو التردد المنخفض. ومنذ ذلك الحين، نما الفلك الراديوي بسرعة، واللحاق بالرصدات البصرية ذات التردد العالي التي كانت مستمرة لقرون أطول. وكان هناك اختراق آخر هو استخدام قياس التداخل الراديوي، حيث تستخدم مجموعات من الهوائيات التي تفصل بينها مسافات كبيرة لإنشاء فتحة اصطناعية، مما يوفر طريقة لزيادة حساسية ودقة الملاحظات الراديوية2،3. يمكن أن يكون هذا حدسي النظر كملحق لصيغة القرار العادية للملاحظات البصرية:
بالنسبة لطبق مراقبة من متر D الحجم ، و طول موجي ملاحظ من متر λ ، فإن ΘHPBW هو الحجم الزاوي في الشعاع من عرض شعاع الطاقة النصفي (HPBW) ، وتحديد الدقة في السماء. هذه العملية من توليف جزء من طبق كامل كبير مع نقاط متناثرة فقط عبر منطقة فارغة في الغالب ويسمى أيضا تركيب الفتحة. في مجال قياس التداخل الراديوي، يتم تحديد دقة الصفيف بمسافة أبعد بين أي جهازي استقبال في الصفيف، وتستخدم هذه المسافة كـ D في المعادلة 1.
الرياضيات وراء قياس التداخل تم توثيقها جيدا في النصوص الكلاسيكية مثل قياس التداخل طومسون والتوليف في علم الفلك الراديوي3. يمكن أن تكون البصيرة الأساسية التي يتم توصيلها بشكل غير رسمي كما “(بالنسبة للصفائف المُعَدِدِة التي تراقب مجال عرض صغير) فإن الارتباط المتقاطع للإشارات بين أي مستقبلين (رؤية)سوف ينتج معلومات حول معامل Fourier 2D لنمط سطوع السماء.” ما هو وضع فورييه هو أخذ عينات يعتمد على فصل المستقبلين (خط الأساس)،تطبيع من قبل طول الموجة المراقبة. أجهزة الاستقبال التي هي أبعد عن بعضها البعض (في نظام تنسيق الأشعة فوق البنفسجية القياسية الموجهة نحو الهدف التصوير) عينة من ميزات التردد المكاني أعلى، مما أسفر عن تفاصيل دقة أعلى على نطاقات أصغر. وعلى العكس من ذلك، فإن أجهزة الاستقبال التي تكون قريبة من بعضها البعض في نفس عينة إطار UVW أقل ترددات مكانية، مما يعطي معلومات عن هياكل نطاق أكبر بدقة أقل.
بالنسبة لأدنى ترددات الراديو، تمنع الإلكترونات الحرة في الغلاف الأيوني للأرض الموجات الراديوية التي تقل عن MHz 10 من السفر من الفضاء إلى الأرض، والعكسبالعكس. وهذا ما يسمى “قطع الغلاف الأيوني” قد حال منذ أمد بعيد دون رصد السماء على الأرض بالنسبة لنطاق التردد هذا. الجواب الواضح على هذا القيد هو وضع أجهزة استقبال الراديو في الفضاء حيث يمكنهم تسجيل بيانات خالية من تأثير الغلاف الجوي للأرض والإلكترونات الحرة في غلافها الأيوني. وقد تم ذلك من قبل مع هوائيات واحدة على متن مركبة فضائية مثل الرياح4 و STEREO5، والتي كشفت العديد من العمليات الفيزيائية الفلكية التي تنتج انبعاثات في هذا النطاق الراديوي منخفض التردد. وهذا يشمل الانبعاثات من تفاعلات الإلكترونات مع الغلاف المغنطيسي للأرض، والتسارع الإلكتروني من الانفجارات الشمسية، ومن المجرة نفسها. ويمكن لأرصاد الهوائي الواحد أن تقيس كثافة التدفق الكلي لهذه الأحداث، ولكنها لا تستطيع تحديد مصدر الانبعاثات. ومن أجل توطين هذا الانبعاثات ذات التردد المنخفض، وجعل الصور في نظام التردد هذا لأول مرة، سيتعين إرسال العديد من الهوائيات إلى الفضاء والجمع بين بياناتها لصنع فتحة اصطناعية.
ومن شأن القيام بذلك أن يفتح نافذة جديدة يمكن للبشرية من خلالها مراقبة الكون، مما يتيح عددا من القياسات العلمية التي تتطلب صورا للسماء في هذه الترددات الدنيا. القمر هو أحد المواقع الممكنة لفتحة اصطناعية في الفضاء ، ويأتي مع إيجابيات وسلبيات بالمقارنة مع صفائف تدور حول الطيران الحر. الجانب البعيد القمري لديه منطقة فريدة من نوعها الراديو هادئة التي تمنع كل من التدخل المعتاد القادمة من إشارات من صنع الإنسان، في حين أن الجانب القريب يوفر مكانا ثابتا لمصفوفات مراقبة الأرض، وإذا شيدت عند نقطة الأرض القمرية، فإن الأرض ستكون دائما في ذروة السماء. مع مجموعة ثابتة، فمن الأسهل للحصول على خطوط أساس قصيرة لقياس الانبعاثات على نطاق واسع، لأنها ليست في خطر الاصطدام، على عكس صفائف الطيران الحرة. عيوب مجموعة القمر هي أساسا صعوبات في التكلفة والسلطة. وسيتطلب وجود صفيفة واسعة النطاق على سطح القمر قدرا كبيرا من الهياكل الأساسية والمال، في حين أن الصفائف المدارية الأصغر حجما ستتطلب موارد أقل بكثير. وهناك أيضا مسألة السلطة؛ تتعرض معظم الأماكن على سطح القمر لأشعة الشمس كافية لتوليد الطاقة الشمسية لمدة 1/3 من كل يوم قمري. البقاء على قيد الحياة تقلبات كبيرة في درجة الحرارة من يوم القمر إلى الليل هو أيضا مصدر قلق الهندسة. وبصرف النظر عن هذه الصعوبات، لا تزال هناك مشكلة التأكد من أن تصميم الصفيف المقترح مناسب لهدفها العلمي المحدد. وتتوقف استجابة أي صفيف معين على هيكل الانبعاثات التي تُلاحَظ مع تكوين المصفوفة وحساسيتها.
وقد وضعت عدة صفائف المفاهيمي للذهاب على سطح القمر على مر العقود. التصاميم المبكرة لم تكن الأكثر تفصيلا، ولكن لا يزال يعترف التقدم العلمي التي يمكن تحقيقها من قبل هذه الصفائف6،7،8،9،10. كما تم طرح المزيد من الصفائف في السنوات الأخيرة ، وبعضها ، مثل FARSIDE11، DEX12، و DALI13 تسعى إلى قياس أحواض الامتصاص لإشارة الهيدروجين المحايدة ذات 21 سم ذات الـ redshifted في نطاق MHz 10-40 إلى التحقيق في ما يسمى “العصور المظلمة” وتقييد النماذج الكونية للكون المبكر. آخرون مثل ROLSS14 استدعاء تتبع مشرق نوع الطاقة الشمسية الثانية الراديو رشقات نارية بعيدا في الغلاف الشمسي لتحديد موقع تسارع الجسيمات الشمسية النشطة داخل القذف كتلة الإكلال كحالة العلم مقنعة. كما تم وصف صفائف أصغر حجما مثل مقياس التداخل 2-عنصر RIF15, والتي من شأنها أن تستخدم لاندر واحد ومسبار متحرك لتذوق العديد من خطوط الأساس لأنها تتحرك إلى الخارج من lander. يركز RIF على القدرة على رسم خريطة السماء لهذه الترددات المنخفضة لأول مرة ، ويحسب تغطية الأشعة فوق البنفسجية والشعاع المركب للملاحظات المتكاملة.
ويمكن للصفائف الراديوية الفضائية أن تتيح أيضاً التصوير بالترددات المنخفضة لمجرات الراديو البعيدة لتحديد المجالات المغناطيسية والقياسات الفلكية16. ومن شأن الصور ذات التردد المنخفض لهذه الهيئات أن تقدم صورة أكثر اكتمالاً للفيزياء التي تحكم هذه النظم، ولا سيما بيانات الانبعاثات السنكروترونية التي تنتج عن الطرف الأدنى من توزيع الطاقة الإلكترونية. وهناك أيضا مجموعة من مختلف الانبعاثات في الغلاف المغنطيسي التي تحدث في هذه الترددات المنخفضة، وتوفير كل من الانبعاثات العالمية (المتزامنةرون الثابتة) والمحلية (رشقات نارية، إشعاع كيلومتر الشفقي) من ديناميات الإلكترون التي لا يمكن الكشف عنها من الأرض17. وقد جاءت ألمع الانبعاثات المسجلة من هذه الأنواع من الأرض والمشتري، لأن هذه هي أقرب الكواكب ذات المغنطيسية القوية. ومع ذلك، يمكن صفائف مع حساسية كافية والقرار مراقبة الانبعاثات في الغلاف المغنطيسي من الكواكب الخارجية الأخرى، أو حتى الكواكب خارج المجموعة الشمسية18. وقد تم استدعاء هذا الموضوع على وجه الخصوص كمجال اهتمام في ورشة عمل رؤية علوم الكواكب 2050 الأخيرة.
ويركز هذا العمل على محاكاة استجابة صفائف الراديو على القمر التي تتكون من أي مكان من هوائيات قليلة فقط، إلى مئات أو آلاف الهوائيات. هذا الإطار محاكاة مفيد لتكرار تصميم مجموعة لتصوير أي هدف علمي معين في مجال صغير من الرؤية (بضع درجات مربعة) ولكن لا يدعم حاليا جميع التصوير السماء. يجب استخدام تقديرات دقيقة لخرائط السطوع المتوقعة إلى جانب ملفات تعريف الضوضاء الواقعية لضمان أن حجم/تكوين الصفيفات معينة يكفي لمراقبة الهدف إلى مستوى ضوضاء معين أو دقة معينة. كما يجب أن تكون هندسة الصفيف معروفة بدرجة عالية بحيث يتم حساب خطوط الأساس بدقة لتمكين التصوير الصحيح للبيانات. حاليا، أفضل خرائط سطح القمر هي نماذج الارتفاع الرقمي (DEMs) من المركبة المدارية لاستكشاف القمر (LRO’19 القمري مدار ليزر Altimeter (LOLA)20. يقبل خط أنابيب المحاكاة إحداثيات خط الطول لكل جهاز استقبال ويُقَدَّد الارتفاع عند هذه النقاط من نظام إدارة البيانات الموجودة لحساب الموضع ثلاثي الأبعاد الكامل.
من هذه الإحداثيات يتم حساب خطوط الأساس وإدراجها في ملف “تطبيقات برامج علم الفلك المشتركة”(CASA) 21 (MS). يمكن استخدام تنسيق MS مع العديد من خوارزميات التحليل والتصوير الموجودة، كما أنه يحتوي على معلومات حول تكوين الصفيف وبيانات الرؤية والمحاذاة مع السماء. ومع ذلك، فإن العديد من هذه الإجراءات البرمجية مشفرة بجد للعمل مع الصفائف التي تدور مع سطح الأرض، ولا تعمل مع الصفائف المدارية أو القمرية. للتحايل على هذا، يقوم خط الأنابيب هذا بحساب خطوط الأساس و”الوضوح” لصفيف محدد والهدف التصوير، وإدراج البيانات في تنسيق MS. يتم استخدام مكتبة سبايس22 لمحاذاة أنظمة إحداثيات القمر والسماء وتتبع حركات القمر والأرض والشمس بشكل صحيح.
إطار المحاكاة الموصوف هنا يلي هيغيدوس وآخرون17، ويتم أرشفة البرنامج من قبل مكتبة جامعة ميشيغان في أرشيف ديب بلو23، المخزنة في https://deepblue.lib.umich.edu/data/concern/data_sets/bg257f178?locale=en. يمكن العثور على أي تصحيحات أو تحديثات لهذا البرنامج المؤرشف في https://github.com/alexhege/LunarSynchrotronArray. القسم التالي سوف يصف متطلبات هذا البرنامج ، والمشي من خلال عملية تشكيل مجموعة ، وتحديد مستويات الضوضاء المناسبة ، وتغذية الصفيف صورة محاكاة الحقيقة من الانبعاثات المستهدفة ، ومحاكاة إعادة بناء الصفيف بلا ضوضاء وصاخبة من الانبعاثات باستخدام سيناريو CASA.
كل خطوة من خط أنابيب المحاكاة ضرورية وتتغذى على التالي ، مع تكوين صفيف على سطح القمر ، ومحاذاة الإطار المرجعي بشكل صحيح لتوجيه الصفيف إلى المنطقة المستهدفة في السماء ، وحساب بيانات الرؤية ، وإضافة مستويات الضوضاء المناسبة ، وتشغيل خوارزميات التصوير على البيانات الناتجة.
لكل خطوة، قد يتم إجراء التخصيصات. في الخطوة 2، قد يكون تكوين الصفيف المعرف من قبل المستخدم أي قائمة خطوط الطول وخطوط العرض. ثم يتغذى هذا في البرنامج النصي سبايس في الخطوة 3، حيث يمكن للمرء أن يختار الوقت المحدد للقياسات المخطط لها، وكذلك حيث في السماء يجب أن تركز الصفيف. في الخطوة 3، يمكن للمرء تحديد محاكاة الانبعاثات الحقيقة التي الصفيف يحاول صورة عن طريق توفير ملف .truth CASA مناسبة. ثم في الخطوة 4 واحد قد تغيير المستوى المتوقع من الضوضاء اعتماداً على تردد المراقبة وقدرات الأجهزة المتوقعة. وتشكل مجموعة الرموز هذه إطاراً مرنة لمحاكاة يمكن استخدامها في تكرار تصميم المصفوفة لأي عدد من الاستخدامات، وذلك حسب العلم المستهدف. ويمكن تشغيل جميع هذه الرموز على كمبيوتر محمول متوسط أو محطة عمل، على الرغم من أن الوقت الحسابي يزيد مع عدد الهوائيات. أبطأ أجزاء العملية هي التنبؤ بالرؤية ، تليها التصوير. بالنسبة للصفائف الصغيرة، يمكن إجراء العملية بأكملها في دقائق، بينما قد تكون هناك حاجة إلى ساعات أو أيام بالنسبة للصفائف الكبيرة التي تضم بضع مئات أو آلاف من أجهزة الاستقبال.
تتضمن بعض الخطوات التالية التي يمكن اتخاذها مع خط الأنابيب هذا لزيادة واقعيته إضافة نظام إزالة مقدمة يعتمد على القناة. وهذا يتطلب بناء نموذج السماء العالمية، التي تهيمن عليها في الترددات المنخفضة من قبل الانبعاثات السنكروترون المجرة وعدد قليل من المصادر الساطعة مثل كاس A، وتتبع أي جزء من السماء مرئياً للمستقبلات، والتواء هذا النمط من السطوع مع شعاع الأولية، مع مركز المرحلة من مجموعة الانحياز نحو الهدف التصوير. لأوقات التكامل الأطول ، تتبع الحركة الظاهرة للسماء هي أيضًا مشكلة. ومن التحسينات الأخرى التي يمكن إضافتها نظام تشويش عابر لترددات الحدث/الراديو (RFI) يمكنه إزالة القنوات التي تم وضع علامة عليها من التصوير العادي، وإرسالها إلى خط أنابيب متخصص يقوم بتصوير البيانات التي تم وضع علامة عليها وتمييزها. يمكن أن خط أنابيب الحدث العابر هذا ثم استخدام خوارزميات خاصة مثل uvmodelfit التي يمكن الاستفادة من نسبة إشارة عالية إلى الضوضاء من هذه الأحداث لتوصيف أفضل من القرار العادي للصفيف27.
وهناك أيضا آثار إضافية التي تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار لمعايرة مجموعة كاملة، واحدة منها هو اقتران المتبادل. كما نوقش في Ellingson28، وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض في الحساسية في صفائف إذا كان لديهم أجهزة الاستقبال التي هي ضمن أطوال موجية قليلة من بعضها البعض. ويعتبر هذا في انخفاض في حساسية الصفيف أو مكافئ، زيادة في SEFD. وينطبق هذا بشكل خاص على الحزم التي تزيد عن 10 درجات بعيدًا عن الذروة. مجموعة المثال في هذا العمل يستهدف الأرض، التي هي دائما بالقرب من ذروة حسب التصميم، لذلك ينبغي أن اقتران المتبادلة لا تؤثر على هذا الهدف التصوير خاصة، ولكن دراسات من SEFD على مدى مجموعة كاملة من زوايا الارتفاع والترددات سوف تحتاج إلى أن يتم في التكليف لأي مجموعة حقيقية لفتح إمكاناتها الكاملة. وثمة قصور آخر في خط أنابيب محاكاة الصفيف هذا يكمن في خرائط سطح القمر غير الكاملة المستخدمة. DEMs من LOLA LOLA القياسات لديها في أحسن الأحوال قرار من 60×60 متر / بكسل في 512 بكسل / درجة الخرائط. يمكن للمرء أن يُستَدَل هذه البيانات من أجل صفائف محاكاة، ولكن بالنسبة للصفائف الحقيقية، سيلزم أن تكون هناك فترة تكليف/معايرة حيث ستستخدم المصادر ذات الموقع المعروف لتحديد الفواصل النسبية بين جميع الهوائي بدقة عالية. وتشمل مصادر المعايرة المحتملة Cas A، والانبعاثات الدورية ذات التردد المنخفض من المشتري أو الأرض، أو احتمال بوابة القمر29.
هناك أيضا استجابة سطح القمر للنظر. هناك طبقة من التربة السطحية القمرية تسمى regolith التي تعمل مثل عازلة الفقدان التي يمكن أن تعكس الانبعاثات الواردة مع بعض الكفاءة، فوق الأساس القمري الذي يمكن أن تعكس أيضا الانبعاثات الواردة مع بعض كفاءة أفضل30،31. وتعتمد هذه الاستجابة على درجة الحرارة المحيطة والتردد الوارد، وكذلك على التركيب الكيميائي للرقي. وقد وجدت الدراسات30،31 أنه في درجات حرارة أقل من 100 K ، فإن regolith يكاد يكون شفافاً للانبعاثات الراديوية ، ويحدث الانعكاس على مستوى الأساس مع معامل انعكاس يبلغ حوالي 0.5-0.6. في درجات حرارة أعلى 150-200 K، يمكن أن تمتص الانبعاثات وregolith الإشعاع الواردة على السطح مع معامل انعكاس حوالي 0.2-0.3. في درجات حرارة أعلى من 200 K، وجد أن خصائص عازلة من regolith تتضاءل، والاختلاف من الانعكاس يمكن تجاهلها. ويمكن لهذه الآثار تقليل مساحة فعالة من الصفيف، والحد من حساسية وتتطلب وقتا أطول التكامل. ويمكن أن يكون هذا التأثير على غرار مع حزم برامج المحاكاة الكهرومغناطيسية مثل NEC4.232 نظرا لنماذج من النسبية السماح / ثابت عازلة كدالة من عمق القمر. وهذا سوف يخرج SEFD من جهاز استقبال لتردد معين، والتي يمكن أن تعطى لخط أنابيب محاكاة مجموعة لحساب الضوضاء الصحيحة لإضافة إلى إشارة محاكاة. قد تساعد إضافة شبكة تأسيسية بين المستقبِل وسطح القمر على تقليل تأثير الموجات المنعكة، ولكنها تضيف مجموعة من المضاعفات الخاصة بها في شكل نشر.
العديد من التفاصيل الافتراضية أو غامض حول تنفيذ جهاز استقبال الراديو على سطح القمر سوف تتوطد أخيرا في الواقع مع التمويل الأخير لمشاريع هوائي التردد المنخفض واحد مثل الأرصاد الموجة الراديوية على سطح القمر من غمد photoElectron (ROLSES) وتجربة الكهرومغناطيسية سطح القمر (LuSEE)33. تم تمويل LuSEE مؤخرًا من قبل وكالة ناسا كجزء من برنامج خدمات الحمولة القمرية التجارية. وسوف يتألف كلا الجناحين من الهوائي بشكل رئيسي من قطع غيار الطيران للأدوات السابقة مثل STEREO /WAVES أو PSP FIELDS ومن المقرر تسليمها في عام 2021. وسوف ترسّج القياسات من هذه المستقبلات أخيراً مستوى الضوضاء شبه الحرارية من اغمد الأيلترون الضوئي من الغبار المتأين على سطح القمر وكيف يتغير على مدار يوم قمري. وستصف هذه القياسات أيضاً مستوى الانعكاس والامتصاص من سطح القمر، وستُقاس كيفية تغييرها في SEFD للمستقبِل. كما ستقدم إحصاءات عن عدد الأحداث العابرة أو RFI التي يتم تلقيها على سطح القمر. وستمهد هذه البعثات الطريق أمام صفائف من الهوائيات التي ستتمكن في النهاية من إجراء العديد من الملاحظات العلمية الجديدة مثل الانبعاثات المنخفضة التردد من رشقات الراديو الشمسية والمجرات البعيدة والغلاف المغنطيسي الكوكبي. ويوفر خط أنابيب المحاكاة الموصوف في هذا العمل طريقة مرنة للتكفير عن تصميم هذه الصفائف المستقبلية لمجموعة متنوعة من الأهداف العلمية.
The authors have nothing to disclose.
بفضل فرق القمر المدارية الاستطلاعية (LRO) والقمرية المدارية ليزر Altimeter (LOLA) لتوفير خرائط الارتفاع الرقمي القمري. وقد تم دعم هذا العمل مباشرة من قبل المعهد الافتراضي لأبحاث استكشاف النظام الشمسي ناسا الاتفاق التعاوني رقم 80ARC017M0006، كجزء من شبكة الاستكشاف وعلوم الفضاء (NESS) الفريق.
No physical materials are needed, this is a purely computational work. |