very long baseline interferometry (vlbi)

Very Long Baseline Interferometry (VLBI)Interferometría de linea de base muy larga

San Juan, 17.10.19 Dr. Hayo Hase, AGGO-BKG

Very Long Baseline Interferometry Contenido

• Introducción a VLBI• Las fuentes en el universo• La Tierra con nuestros instrumentos• El análisis de datos VLBI• La coordinación de VLBI por el IVS• Una mirada al futuro• El resumen

Principio de un interferómetro VLBI

retraso = c · τ

Cross-correlation functionfunción de la correlación cruzada

Cij (τ)=Corr (v i , v j)=⟨v i(t )v j(t+τ)⟩

maxCij (k )k→τ

=1N ∑

l=1

N

v i [l]v j [l+k ]

esquema:

formula:

formula para corrientes de bits de las observaciones VLBI buscando τ por variación de k:

Productos de VLBI

ICRF

posiciones de cuásares ITRF

posiciones y velocidades de pp.rr.series de tiempolineas de base

EOP

precesiónnutación

movimiento polarUT1-UTC

VLBI es el único métodopara determinar todoslos parametros de larotación de la Tierra.

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Fuentes de microondas usado por VLBICuásares, Active Galactic Nuclei (AGN)

Credit: C.M. Urry and P. Padovani

Distancia a la Tierra:1..13 mil millones años luz

fuente como punto es ideal

sin movimiento propio es ideal

→sistema de referencia celeste es inercialE = m c²

Astrometría por VLBI

imágen de la mas alta resolución del agujo negro en Centaurus-A Tanami

imagén óptico imagén con VLBI

x 720.000

2008

Imagen del agujero negro M87 por VLBI

2019

Morfología de Cuásares

Cortesia Patrick Charlot

Evolution of radio sources over time

Cortesia Patrick Charlot

International Celestial Reference Frame 2ICRF-2

1448 multi-session sources

295 defining sources

IERS Technical Note 35, BKG, 2009

International Celestial Reference Frame 3ICRF-3

ICRF3 esta basado en 4536 fuentes.

303 fuentes, distribuidas homogenicas, definen los ejes del marco de referencia.

En la alta declinación en el sur faltan mas observaciones. Errores de la posición son mas elevados.

CART + AGGO pueden contribuir a mejorar la situación en banda S/X.

ICRF3 contiene también 824 fuentes en banda K (24 GHz) y 678 fuentes en banda X/Ka (32 GHz). CART pueda contribuir a estos catalogos.

ICRF3 esta adoptado hace 1 de enero, 2019.

http://hpiers.obspm.fr/icrs-pc/newwww/icrf/index.php

ICRF3-S/Xfuentes definiendos

ICRF3-Xerrores de posición

vacío de observatorios

en el sur

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Simple ecuación de la observación VLBI

kbWSNPc

1-=

b vector de linea de base entre dos estaciones VLBIk vector unitario a la fuente de la emisiónW matrix para el movimiento polar S matrix para el spin diarioN matrix para la nutación P matrix para la precesión

EOP: parametros de la orientación de la tierra

retraso = c · τ

Monitoreo de los parametros dela orientación de la tierra (EOP) por VLBI

movimiento polar 1984-2006.3

El Niño

La Niña

nutación 1980-2011.5

orientación de la tierra: ±0.2 mas

UT1-UTC

Cortesía Axel Nothnagel

VLBI vs. GNSSOrientación de la tierra

¿A qué relaciona la orientación de la tierra?• Se busca una dirección estable a nivel de 1 ppb• Las òrbitas de GNSS cumplen este damanda en periodos de dias, pero

exponen en los nodos drift en periodos de semanas.

Solución: • Cambio de las fuentes GNSS en nano-años luz de

distancia por las fuentes de VLBI en giga-años luz de distancia. (equivalente a 18 órdenes de magnitud!)

• VLBI esta calibrando UT1 de la tierra.

satelites GNSS

cuásar

Monitoreo de placas tectónicas por VLBI

+33.24 ± 0.27 mm/a

+5.18 ± 0.54 mm/a +48.63 ± 0.98 mm/a

8430 km

9208 km

9167 km

Linea de base Wettzell-Westford

Baseline parameters and standard deviations (1983-2017)Slope [mm/a] Y-intercept [m] at 2000 WRMS [mm] Sessions Excluded16.94 ± 0.02 5998325.594 ± 0.001 5.4 1735 27

http://www.ccivs.bkg.bund.de/EN/Quarterly/VLBI-Baseline/vlbi-baseline_node.html

Linea de base Kokee-TIGO

Baseline parameters and standard deviations (2001-2015)Slope [mm/a] Y-intercept [m] at 2000 WRMS [mm] Sessions Excluded60.22 ± 0.39 0.000 ± 0.000 17.1 859 348

terremoto M8.82010-02-27

http://www.ccivs.bkg.bund.de/EN/Quarterly/VLBI-Baseline/vlbi-baseline_node.html

VLBI aplicado a misiones espaciales

SMART-1 caida a la lunaobservado por TIGO

2006-09-03 01:42:22 UT

Small Missions for Advanced Research in Technology

primera misión lunar de la ESAError: ± 2 cm

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Fenómenos geofísicos presentes en las observaciones

loadingsocean

atmosphereglaciers

groundwater

gravitatingobjects in

spaceprecession

nutationEarth tides

angular momentumoceanatmosphere

pole tide

geophysical effectsplate tectonicsregional tectonicEarth‘s interiorconvectionvulcanismearthquakes

localdeformation

changes inEarth rotation

polar motionlength of day variation

deformation ofEarth body

Observaciones VLBI contienen todos estos efectos geofísicos.

Marea terrestre Carga oceánica, carga atmosférica

H. Schuh

Ny-Ålesund, SpitsbergenWettzell, Alemania

N-S

E-W

radial

mar

eate

rres

tre

carg

aoc

eáni

caca

rga

atm

osfé

rica

[h]

[mm]

1 de abril 2010

VLBI Data Analysis

←retraso τ de la correlación

←calibración por observación en dos bandas S y X←calibración por datos meterológicos o modelos

←datos de calibración de cables y relojes

del obs ervatori o

VLBI Data Analysis Software

• CALC/SOLVE (John Gipson), Linux• MODEST (Ojars Sovers)• OCCAM (Oleg Titov)• GLORIA (Sébastien Lambert)• SteelBreeze (Sergei Bolotin)• GEOSAT (Per Helge Andersen)• VieVS (Johannes Böhm), MatLab• c5++ (Thomas Hobiger)

• Download contact: http://ivscc.gsfc.nasa.gov/analysis/index.html

International Terrestrial Reference FrameITRF2014

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Servicio Internacional de VLBI (IVS)

16 miembros

http://ivscc.gsfc.nasa.gov

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VLBI Global Observing System (VGOS)

• VGOS es un projecto del IVS.• VGOS es la contribución del IVS a realizar GGOS.• observaciones continuas con ciclos de 30s slew/track • radiotelescopios muy rapidos, ≥12m reflectores

parametros kinematicos: vAz

=12°/s, vEl=6°/s, a

AzEl=3°/s²

• feed de ancho banda, 2-14 GHz (2-18 GHz)• digital baseband converter• high-sampling data acquisition rate, ≥ 8Gb/s• e-transfer, e-VLBI• operación distribuida y remotamente controlado • correlador de software• analísis automatizado

Mas información: http://ivscc.gsfc.nasa.gov/technology/vgos-general.html

VLBI Observation Modes

24h observaciones S/X 24h observaciones VGOS

bandwidths: 150 MHz S-band 800 MHz X-Band

bandwidths: 4x 1000 MHz

in 2-14GHz range

present future

better sampling of atmosphere

cortesía Axel Nothnagel

New VGOS radio telescopes

VGOS Radio Telescopes

Santa Maria, Azores - PT Yebes - ES

RAEGE-Project

New VGOS radio telescopes for IVS

under construction

funded

proposal submitted

planning phase upgrade

based on available informationFebruary 2016

planning phase

operational

Status of new VGOS infrastructure2016

cortesía IVS-VPEG

Laguna mas grande en la red de VGOS

mrp = most remote point Hase, Pedreros; J Geod (2014) 88:989–1006

Componentes de una estación VLBI

• radio telescopio con reflector de 10-25m de diametro• feed con receptor cryogénico, 2-14GHz• sampler de alta velocidad, 1Gs/s• sistemas de grabación de datos, 1-8Gb/s• maser hidrógeno como fuente de frecuencia de referencia, 10-15

TwinTelescope Wettzell

feed

amplificador de bajos ruidos data recorder

H-maser

~1 – 5.000.000 €

~3 – 800.000 €

~20.000 €

~20.000 €

~150.000 €

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Resumen

• VLBI es la única técnica que determina todos los parametros de la rotación de la Tierra y que realiza el ICRF.

• VLBI tiene muchas aplicaciones en la geodesia, la astronomía y la exploración del espacio.

• VGOS es una iniciativa y contribución del IVS para el Global Geodetic Observing System (GGOS).

• En la red VGOS faltan puntos de referencia en América Latina.

• AGGO es el primer paso para mejorar la configuración de la red VLBI.

• CART es un segundo paso. Gi lmore CreekYellowkni fe

Al gonqui n

Kokee Park

Fortaleza

O' Hi ggi ns

Syowa

120°105°90° 165°150°135°75°60°45°30°15°0 °- 15°-30°- 45°- 60°- 75°- 90°- 105°- 120°- 135°- 150°- 165°

0 °

30°

45°

60°

75°

- 15°

- 30°

- 45°

- 60°

- 75°

15°

Hartebeesthoek

Medici na

Y ebe s

Ny Ål esund

Not o

Wettzell

Sesha n

Nansha n

BK G

Westford

JPL

Bo rdeaux

Sha n ghai

N ICT

F FI

Mi zusawa

Canadian VLBI

Haystack

Svetl oe

Si mei z

IA A

MA O

AISt Pb U

DG FIF G S( BK G,GI UB)

05/19/2003

Ka shi ma3 4

Network Stati onOperation CenterCorrelatorData CenterAnalysis CenterTec hnol ogy Devel opment CenterCoordinating Center

Pari s

CN R

USNO

GI UB

GS F C

N EO S

Onsal a

Ka shi ma 1 1Koganei

Tsukuba

MateraG G A O

Vi enna

T IG O G A

H obart