ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №7
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.9
О ПРОЕКТЕ ЕВРАЗИЙСКИХ СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ТЕЛЕСКОПОВ (ESMT)
И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СУБММ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В.Б. Хайкин 1, А.Ю. Шиховцев 2, В.Е. Шмагин 3, М.К. Лебедев 1,
Е.А. Копылов 3,4, В.П. Лукин 4, П.Г. Ковадло 2
1 Санкт-Петербургский филиал Специальной астрофизической обсерватории РАН
196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65, к. 1, лит. АУ
2 Институт солнечно-земной физики СО РАН
664033 г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 126a
3 Институт астрономии РАН
119017, г. Москва, ул. Пятницкая, д. 48
4Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН,
г. Томск, площадь Академика Зуева, 1
Статья поступила в редакцию 21 мая 2022 г.
Аннотация. Актуальные задачи в субмиллиметровой астрономии требуют создания инструментов, сочетающих высокую чувствительность, угловое разрешение, широкое поле зрения и многоволновый (многоцветный) спектральный диапазон. В настоящее время новые одиночные мм/субмм телескопы очень востребованы в Евразии, так же как и их включение в сеть РСДБ Event Horizon Telescope (EHT). Концепция проекта Eurasian Submillimeter Telescopes (ESMT) предполагает строительство трех конструктивно идентичных мм/субмм радиотелескопов класса 15-21 м на плато Суффа, Узбекистан (2400 м или выше), в РФ (3000 м или выше) и на Тибете, КНР (выше 5000 м). Рассмотрена концепция ESMT, где за отправную точку взята конструкция европейских антенн ALMA. Диаметр антенны должен быть увеличен с 12 м до 21 м, соответствующим образом изменятся оптическая схема и конструкция ферменного каркаса, добавлены третичная оптика и «активная поверхность», в работе предложены средства ее оперативной диагностики. В статье представлены варианты оптической схемы ESMT и третичной оптики, позволяющие удерживать компактный криостат с KID-матрицей в вертикальном положении для обеспечения его работоспособности при наклонах телескопа. Приводится сравнение возможностей ESMT с другими мм/субмм инструментами и проектами. Рассмотрены необходимые астроклиматические условия и характеристики сайтов ESМT, приведены оценки осажденной воды PWV, dPWV и доли покрытия неба облачностью TCC для ряда практически интересных сайтов, полученные с помощью баз реанализа ERA-Interim и ERA-5. Рассмотрены влияние турбулентности атмосферы на радиотелескоп, радиоастрономические методы подавления флуктуаций атмосферы и возможности применения адаптивной оптики, в частности «тип-тилт»-коррекции для улучшения качества субмм изображений.
Ключевые слова: субмиллиметровая астрономия, субмиллиметровый телескоп, астроклимат, адаптивная оптика.
Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках базового проекта Института солнечно-земной физики СО РАН "Методы и инструменты астрофизического эксперимента" (уникальный номер 0278-2021-0010), а также программы фундаментальных исследований СО РАН Института оптики атмосферы СО РАН "Исследование особенностей формирования оптических изображений и пучков излучения в атмосфере с использованием адаптивной оптики, включая распространение мощного, амплитудно- и фазово-модулированного оптического излучения" (FWRU-2021-0003).
Автор для переписки: Хайкин Владимир Борисович, vkhstu@mail.ru
Литература
1. Bubnov G.M. et al. Searching for new sites for THz observations in Eurasia. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2015. V.5. №1. P.64-72. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2014.2380473
2. Koshelets V.P., Shitov S.V. Integrated superconducting receivers. Superconductor Science and Technology. 2000. V.13. №5. https://doi.org/10.1088/0953-2048/13/5/201
3. Гольцман Г.Н., Лудков Д.Н. Сверхпроводниковые смесители на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии. Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т.46. №8-9. C.671-686. https://doi.org/10.1023/B:RAQE.0000024991.65949.d6
4. Рудаков К.И., Дмитриев П.Н., Барышев А.М., Худченко А.В., Хеспер Р., Кошелец В.П. Малошумящие СИС-приёмники для новых радиоастрономических проектов. Известия вузов. Радиофизика. 2019. Т.62. №7. С.613-622. https://doi.org/10.1007/s11141-020-10001-7
5. Балега Ю.Ю. и др. Сверхпроводниковые приёмники для космических, аэростатных и наземных субтерагерцовых радиотелескопов. Известия вузов. Радиофизика. 2020. Т.63. №7. С.533-566.
6. Gordeeva A.V. et al. Record electron self-cooling in cold-electron bolometers with a hybrid superconductor-ferromagnetic nanoabsorber and traps. Scientific Reports. 2020. V.10. https://doi.org/10.1038/s41598-020-78869-z
7. Кошелец В.П., Тарасов М.А. Сверхпроводниковые приемники терагерцевого диапазона для космических и аэростатных радиотелескопов. Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т.80. №4. С.517-521. https://doi.org/10.7868/S0367676516040220
8. Khaikin V.B. et al. On the Eurasian SubMillimeter Telescopes Project (ESMT). 7 Всероссийская Микроволновая Конференция. Москва. 2020. С.47-51. https://doi.org/10.1109/RMC50626.2020.9312233
9. Marchiori G., Rampini F., Spinola M., De Lorenzi S., Bressan R., Tordi M. Towards the Eurasian Sub-Millimeter Telescope (ESMT): concept outline and first results. Всероссийская конференция «Наземная астрономия в России. XXI век». Нижний Архыз. 2020. С.378-383. https://doi.org/10.26119/978-5-6045062-0-2_2020_378
10. Duan R. et al. Toward Eurasian SubMillimeter Telescopes: the concept of multicolor subTHz MKID-array demo camera MUSICAM and its instrumental testing. 7 Всероссийская Микроволновая Конференция. Москва. 2020. С.41-46. https://doi.org/10.1109/RMC50626.2020.9312270
11. Лукин В.П., Канев Ф.Ю., Коняев П.А., Фортес Б.В. Численная модель адаптивной оптической системы. Часть 2. Датчики волнового фронта и исполнительные элементы. Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. №3. С.419-428.
12. Nikolic B., Richer J., Hills R., Stirling A. Phase Correction for ALMA: Adaptive Optics in the Submillimetre. The Messenger. 2008. V.131. P.14-18.
13. Schloerb F.P., Carrasco L. Large Millimiter Telescope. Proceedings of 25th URSI General Assembly. Maastricht. 2002.
14. Quesada J.A. Precipitable water vapor content above Pico Veleta. Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 1989. V.101. №638. P.441-444. https://doi.org/10.1086/132454
15. Greve A., Bremer M., Penalver J., Raffin P., Morris D. Improvement of the IRAM 30-m telescope from temperature measurements and finite-element calculations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. V.53. №2. P.851-860. https://doi.org/10.1109/TAP.2004.838785
16. Заболотный В.Ф., Кардашев Н.С., Артеменко Ю.Н., Парщиков А.А., Шанин Г.И. Полноповоротный радиотелескоп РТ-70 на плато Суффа в Узбекистане: состояние и перспективы. Всероссийская астрономическая конференция 2001. Санкт-Петербург. 2001.
17. Shuster K. et al. NOEMA: a powerful millimeter wave interferometer using next generation technology. Proceedings of SPIE 10700. Ground-based and Airborne Telescopes VII. 2018. https://doi.org/10.1117/12.2313489
18. Borovkov A.I., Shevchenko D.V., Gaev A.V., Gimmelman V.G., Machuev Y.I. finite-element modeling and thermal analysis of the RT-70 radio telescope main reflector. 4th International Conference on Antenna Theory and Techniques, ICATT 2003. Sevastopol. 2003. P.651-654. https://doi.org/10.1109/ICATT.2003.1238827
19. Greve A., Bremer M. Calculated thermal behavior of ventilated high precision radio telescopes. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2008. V.48. №3.
P.9-19. https://doi.org/10.1109/MAP.2006.170339320. Bolli P. et al. Sardinia Radio Telescope: general description, technical commissioning and first light. Journal of Astronomical Instrumentation. 2015. V.4. №3-4. https://doi.org/10.1142/S2251171715500087
21. Монин Ю.Г. Определение упругих деформаций рефлектора радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории АН СССР. Известия КРАО. 1970. Т.41-42. С.260-263.
22. Ефанов В.Ф. и др. Наблюдения радиоисточников на волне 3,9 мм. Горьковский научно-исследовательский радиофизический институт. Препринт №55. 1979.
23. Mangum J.G., Baars J.W.M., Greve A., Lucas R., Snel R., Wallace P.T., Evaluation of the ALMA Prototype Antennas. Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2006. V.118. №847. P.1257-1301. https://doi.org/10.1086/508298
24. Duan R., Li Z., Zhang L., Liu C., Zhang X., Niu C., Li S., Di Li. KID based sub-millimeter instrument for Eurasian Sub-Millimeter Telescopes. Всероссийская конференция «Наземная астрономия в России. XXI век». Нижний Архыз. 2020. С.384-389. https://doi.org/10.26119/978-5-6045062-0-2_2020_384
25. Sayers J. et al. The status of MUSIC: the multiwavelength sub-millimeter inductance camera. Proc. SPIE 9153. Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VII. 2014. https://doi.org/10.1117/12.20554
26. Alvarez et al. Metrology and surface adjustment of primary reflector panels on the LMT. Proc. SPIE 9151. Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation. 2014. https://doi.org/10.1117/12.2056859
27. Яковлев С.В., Якунин В.В., Стороженко А.А., Бурсов Н.Н., Хайкин В.Б. Результаты геодезических измерений топографии поверхности и точности позиционирования щитов РАТАН-600 лазерным трекером API TRACKER 3. Труды ИПА РАН. 2012. №24. С.103-108.
28. Ripak A.M., Khaikin V.B., Lebedev M.K. Aperture field recovery of a reflector radio telescope using phase shifting holography. 7 Всероссийская Микроволновая Конференция. Москва. 2020. С.162-166. https://doi.org/10.1109/RMC50626.2020.9312237
29. Butler B.J., Steffes P.G., Suleiman S.H., Jenkins J.M. Accurate and consistent microwave observations of Venus and their implications. Icarus. 2001. V.154. P.226-238. https://doi.org/10.1006/icar.2001.6710
30. Кузьмин А.Д. Радиофизические исследования Венеры. Москва, ВИНИТИ. 1967. 175 с.
31. Bubnov G.M., Vdovin V.F., Khaikin V.B., Tremblin P., Baron P. Analysis of variations in factors of specific absorption of sub-terahertz waves in the Earth’s atmosphere. 7 Всероссийская Микроволновая Конференция. Москва. 2020. С.229-232. https://doi.org/10.1109/RMC50626.2020.9312314
32. Айвазян Г.М. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в облаках. Ленинград, Гидрометеоиздат. 1991. 479 с.
33. Chao-Lin Kuo. Assessments of Ali, Dome A, and Summit Camp for mm-wave observations using MERRA-2 Reanalysis. Astrophysical Journal. 2017. V.848. №1. P.4-11. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa8b74
34. Otarola A. et al. Precipitable Water Vapor, Temperature, and Wind Statistics At Sites Suitable for mm and Submm Wavelength Astronomy in Northern Chile. Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2019. V.131. №988. https://doi.org/10.1088/1538-3873/aafb78
35. Shikhovtsev A.Yu. et al. Astroclimatic characteristics of the Sayan Solar Observatory and the Special Astrophysical Observatory sites for ground-based mm/submm astronomy. Международная конференция «Субмиллиметровая и миллиметровая астрономия: задачи и инструменты». Москва, АКЦ ФИАН. 2021.
36. Wang Y. et al. Evaluation of Precipitable Water Vapor from Four Satellite Products and Four Reanalysis Datasets against GPS Measurements on the Southern Tibetan Plateau. Journal of Climate. 2017. V.30. №15. P.5699-5713. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0630.1
37. Кузовлев В.В., Станкевич К.С. Об эффективной высоте поглощения радиоволн сантиметрового диапазона в атмосферном кислороде атмосферы и водяном паре. Известия вузов. Радиофизика. 1964. Т.7. №1. C.46-50.
38. Cortés F. et al. Twenty years of PWV measurements in the Chajnantor Area. Astronomy & Astrophysics. 2020. V.640. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037784
39. Radford S.J.E., Peterson J.B. Submillimeter Atmospheric Transparency at Maunakea, at the South Pole, and at Chajnantor. Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2016. V.128. №965. P.1-13. http://dx.doi.org/10.1088/1538-3873/128/965/075001
40. Стоцкий А.А. Измерение флуктуаций разности фаз сантиметровых волн, распространяющихся в приземном слое атмосферы. Радиотехника и электроника. 1969. Т.14. №9. С.1547-1551.
41. Стоцкий А.А., Берлин А.Б., Кайдановский М.Н., Хайкин В.Б. О флуктуациях радиоизлучения безоблачной атмосферы на сантиметровых волнах. Радиотехника и электроника. 1986. Т.31. №10. С.1999-2002.
42. Maud L.T. et al. Phase correction for ALMA. Investigating water vapour radiometer scaling: The long-baseline science verification data case study. Astronomy & Astrophysics. 2017. V.605. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201731197
43. Wiedner M.C., Hills R.E., Carlstrom J.E., Lay O.P. Interferometric phase correction using 183 GHz water vapor monitors. Astrophysical Journal. 2001. V.553. №2. P.1036-1041. https://doi.org/10.1086/320943
44. Fried D.L. Statistics of a geometric representation of wavefront distortion. Journal of the Optical Society of America. 1965. V.55. №11. P.1427-1435. https://doi.org/10.1364/JOSA.55.001427
45. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. Москва, Наука. 1967. 548 с.
46. Парийский Ю.Н., Cтоцкий А.А. О возможности получения радиоизображений небесных тел с разрешением выше 10-2 секунды дуги. Известия ГАО АН СССР. 1972. №188. С.195-212.
47. Emerson D.T., Klein U., Haslam C.G.T. A multiple beam technique for overcoming atmospheric limitations to single-dish observations of extended radio sources. Astronomy & Astrophysics. 1979. V.76. P.92-105.
48. Reichertz L.A., Weferling B., Esch W., Kreysa E. The fastscanning observing technique for millimeter and submillimeter astronomy. Astronomy & Astrophysics. 2001. V.379. №2. P.735-739. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20011227
49. Weferling B., Reichertz L.A., Schmid-Burgk J., Kreysa E. Principles of the data reduction and first results of the fastscanning method for (sub)millimeter astronomy. Astronomy & Astrophysics. 2002. V.383. №3. P.1088-1099. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20011617
50. Nosov V.I. et al. A dual-wave atmosphere transparency radiometer of the millimeter wave range. Instruments and Experimental Techniques. 2016. V.59. №3. P.374-380. https://doi.org/10.1134/S0020441216020111
51. Бубнов Г.М. и др. Результаты наблюдения астроклимата в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн на плато Суффа. Известия вузов. Радиофизика. 2016. Т.59. №8. С.852-861. https://doi.org/10.1007/s11141-017-9745-7
52. Lapinov A.V., Lapinova S.A., Petrov L.Yu. On the benefits of the Eastern Pamirs for sub-mm astronomy. Proceedings of SPIE 11453. Millimeter, submillimeter, and far-infrared detectors and instrumentation for astronomy X. 2020. https://doi.org/10.1117/12.2560250
53. Агафонов М.И. и др. Результаты наблюдений астроклимата на Крымском полуострове в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн. Астрофизический бюллетень. 2018. Т.73. №3. С.412-417.
54. Бубукин И.Т. и др. Анализ результатов исследования астроклимата на радиоастрономической станции «Кара-Даг» в Крыму и возможностей уменьшения влияния атмосферы на радиоастрономические наблюдения в миллиметровом диапазоне. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т.156. №1(7). С.43-55. https://doi.org/10.1134/S0044451019070058
55. Горбунова Т.Ю. Оценка территории Юго-Восточного Крыма для использования систем солнечной энергетики. Геополитика и экогеодинамика регионов. 2015. Т.1(11). №4. С.49-60.
56. Миронова Л.Г., Шатко В.Г. Полуостров Меганом в Юго-Восточном Крыму (природные условия, флора, растительность). Геополитика и экогеодинамика регионов. 2013. Т.9. №2-2. С.26-64.
57. Ландшафтно-геофизические условия произрастания (ЛГУП) лесов юго-восточной части горного Крыма. Симферополь, Таврия-Плюс. 2001. 136 с.
58. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Выпуск 10. Книга 1. Ленинград, Гидрометеоиздат. 1990. 605 с.
59. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Выпуск 10. Книга 2. Ленинград, Гидрометеоиздат. 1990. 320 с.
60. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Выпуск 13. Ленинград, Гидрометеоиздат. 1990. 725 с.
61. Nakariakov V.M., Melnikov V.F. Quasi-Periodic Pulsations in Solar Flares. Space Science Reviews. 2009. V.149. №1-4. P.119-151. https://doi.org/10.1007/s11214-009-9536-3
62. Morin G.P. A simple circular polarization selective surface. International Symposium on Antennas and Propagation Society, Merging Technologies for the 90's. 1990. V.1. P.100-103. https://doi.org/10.1109/APS.1990.115058
63. Khaikin V.B., Luukanen A. Expected Characteristics of Multibeam Solar Radio Telescope with Focal Plane Array at 100 GHz. 3rd ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications. Espoo, Finland. 2003. P.419-424.
64. Woody D. et al. The CCAT 25 m diameter submillimeter-wave telescope. Proceedings of SPIE 8444. Ground-based and Airborne Telescopes IV. 2012. https://doi.org/10.1117/12.925229
65. Klaassen P. D. et al. The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST). Proceedings of SPIE 11445, Ground-based and Airborne Telescopes VIII. 2020. https://doi.org/10.1117/12.2561315
66. Шиховцев А.Ю., Киселев А.В., Ковадло П.Г., Колобов Д.Ю., Лукин В.П., Томин В.Е. Метод определения высот турбулентных слоев в атмосфере. Оптика атмосферы и океана. 2019. Т.32. №12. С.994-1000. https://doi.org/10.15372/AOO20191208
67. Ковадло П.Г., Лукин В.П., Шиховцев А.Ю. Развитие модели турбулентной атмосферы на астроплощадке Большого солнечного вакуумного телескопа в приложении к адаптации изображений. Оптика атмосферы и океана. 2018. Т.31. №11. С.906-910. https://doi.org/10.15372/AOO20181108
68. Shikhovtsev A.Yu., Kovadlo P.G., Lukin V.P. Temporal variations of the turbulence profiles at the Sayan Solar Observatory Site. Atmosphere. 2019. V.10. №9. P.499. https://doi.org/10.3390/atmos10090499
69. Лукин В.П. Формирование оптических пучков и изображений на основе применения систем адаптивной оптики. Успехи физических наук. 2014. Т.184. №6. С.599-640. https://doi.org/10.3367/UFNr.0184.201406b.0599
70. Noll R.J. Zernike polynomials and atmospheric turbulence. Journal of the Optical Society of America. 1976. V.66. №3. P.207-211. https://doi.org/10.1364/JOSA.66.000207
71. B. Nicolic. Interference of coefficients for Use in Phase Correction I. ALMA Memo #587. 2009. P.1-16.
72. Pardo J.R., Cernicharo J., Serabyn E. Atmospheric Transmission at Microwaves (ATM): An Improved Model for mm/submm applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2001. V.49. №12. P.1683-1694. https://doi.org/ 10.1109/8.982447
73. Zauderer B.A. et al. The CARMA paired antenna calibration system: atmospheric phase correction for millimeter wave interferometry and its application to mapping the ultraluminous galaxy ARP 193. Astronomical Journal. 2016. V.151. https://doi.org/10.3847/0004-6256/151/1/18
74. Waters J.W. Absorption and emission by atmospheric gases. Methods of Experimental Physics. V. 12. Part B (Astrophysics: Radio Telescopes). 1976. P.142-176. https://doi.org/10.1016/S0076-695X(08)60684-5
75. Olmi L. The Effects of the Atmosphere. Single-Dish Radio Astronomy: Techniques and Applications. ASP Conference Series. V. 278. San Francisco, CA, Astronomical Society of the Pacific. 2002.
Для цитирования:
Хайкин В.Б., Шиховцев А.Ю., Шмагин В.Е., Лебедев М.К., Копылов Е.А., Лукин В.П., Ковадло П.Г. О проекте евразийских субмиллиметровых телескопов (ESMT) и возможности применения адаптивной оптики для улучшения качества субмм изображений. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.9