Arecibo是如何发现土卫六上的甲烷湖并成像土星环的？

这个对雷达测量到的太阳系物体最远距离的答案？提到土星的环，并在波多黎各的阿雷西博天文台揭秘旅行站–五十多年来世界上最大的射电望远镜提到：

阿雷西博天文台的其他成就包括：

• 有史以来第一次对小行星进行直接成像。
• 在水星两极发现水冰沉积物。
• 跟踪近地小行星以监测撞击风险。
• 映射金星被云覆盖的表面。
• 土星环的雷达成像，揭示了环结构的新细节。
• 土星卫星土卫六上首次发现甲烷湖泊。
• 首次发现有月亮的小行星。

问题： Arecibo是如何发现土卫六上的甲烷湖并成像土星环的？对于单个射电望远镜来说，这些是来自地球的非凡成就。他们是怎么做的？是否可以找到引用并显示出环和甲烷湖证据的示例？

泰坦“湖”：

发表于Science开放存取：雷达证据土卫六表面的液体坎贝尔，DB，黑，GJ，卡特，LM，和Ostro，SJ，科学302，5644，页431-434，2003年10月17日DOI：10.1126 /科学。 1088969

这是一个 非常优雅的实验！从阿雷西博向土星/泰坦系统广播了一个连续的，未调制的，圆偏振的13 cm波，并使用多普勒频移将返回的信号与泰坦隔离开来。

由于大部分表面都是粗糙的，所以有信号从土卫六的整个圆盘区域传回，并且由于月球自转，尽管速度很慢，但从“左”和“右”侧返回的功率却转移到了较高和较低的频率上。

但是，在某些观测时间内，相对于泰坦已知的径向速度，存在非常强且明显的反射，多普勒频移为零，并且该峰值归因于镜面反射。检查接收到的极化可确认，虽然来自粗糙表面的功率以两种圆极化状态返回，但假定的镜面反射分量仅处于预期的圆极化状态。

正如@Martin Kochanski的深思熟虑中指出的那样，从雷达观测中无法确定返回的镜面反射来自甲烷。根据当时有关泰坦化学的已知信息，这只是假定湖泊的假定成分。

我们在2001年11月和2001年11月的16个晚上以及2002年11月和2002年12月的9个晚上观察了土卫六，用305米的Arecibo望远镜以13厘米的波长发射，并用Arecibo接收回波。土卫六的旋转和轨道周期为15.9天，我们2001年的观测是在均匀的22.6°（〜800 km）经度间隔上获得的。2002年的9项观察没有提供统一的报道。地下轨道的纬度在2001年是25.9°S，在2002年是26.2°S，是它最南端的偏移。观测期间到达土星系统的往返光时间为2小时15分钟，Arecibo望远镜的跟踪时间有限，这意味着每天接收信号的时间限制为约30分钟，相当于土卫六旋转的0.5°（20地下点的运动公里数）。在2001年的一个晚上以及2002年的大多数观测（以及其他我们尝试对泰坦进行测距的观测）中，也使用了100米的Green Bank望远镜（GBT）来接收整个往返行程的回波时间。这些数据的信噪比比使用Arecibo接收回波的信噪比要低，但是对应于Titan旋转2.1°的接收时间更长，因此可以研究更多的地下位置。

以下是一些Titan数据：

图3. 2002年在80°的地下经度下，OC雷达回波频谱的分辨率为1.0 Hz。回波镜面分量的归一化横截面和RMS斜率分别为0.023和0.2°。

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图1.来自泰坦上五种经度的2001年数据的阿雷西博雷达回波频谱。对于接收到的圆极化的预期（OC）感和交叉极化（SC）感，均显示了光谱。纵坐标是噪声的标准偏差。Titan的从肢到肢多普勒扩展的带宽为325 Hz。四个OC光谱显示了0 Hz处镜面反射分量的证据。

土星的环“已成像”（延迟多普勒）：

根据土星环的雷达成像 Nicholson，PD等，伊卡洛斯177（2005）32–62，doi：10.1016 / j.icarus.2005.03.023

下面的“图像”不是常规图像，因为Arecibo碟无法在空间上解析土星及其环的横向扩展。这是一张“延迟多普勒”图像，使用了Arecibo发射的12.6厘米，约500 kW雷达广播。往返亮灯时间约为135分钟。由于Arecibo远离天顶（<19.7度）的最大限制，即使在理想条件下，土星也只能在166分钟内作用于碟子。

垂直轴显示大约+/- 800毫秒的延迟，这显示了空间分辨率，但沿径向或深度方向。水平轴是多普勒频移。+/- 300 kHz位移代表环中粒子的轨道速度。

尽管上面的Titan镜面反射是用连续或CW光束完成的，但延迟多普勒成像技术需要使用跳频图案对光束进行频率调制。通过使用已知模式将相关函数应用于所记录的接收信号，可以提取具有不同返回时间和不同多普勒频移的分量，然后将结果进行hzstogram处理，生成下面的延迟多普勒图像。

这是一种标准技术，已用于对其他行星和小行星成像：请参见以下各项和参考资料：

• 对多普勒雷达在其上成像行星赤道时造成“南北歧义”的原因有何答案？
• 为什么金星表面的雷达图缺少切片？
• 小行星佛罗伦萨一个小小的卫星的明显“月食”的物理几何形状是什么？
• NEO小行星的延迟多普勒雷达成像是否只有在自旋足够快时才可能进行？

图2.根据从（a）1999年10月，（b）2000年11月，（c）2001年12月和（d）2003年1月获得的数据构建的延迟多普勒图像。将OC和SC极化相结合以最大程度地放大噪声比。注意每个图像中的四个明亮区域，其中延迟和多普勒单元是平行的，并且A和B环似乎相互交叉。

它没有检测到甲烷湖泊。

它发现土卫六是有光泽的（用雷达术语来说）：也就是说，反射来自光滑的表面，而不是粗糙的表面，同时反射也不强烈。

结果（引用2003年《新科学家》杂志的Radar揭示了泰坦的甲烷湖与您的问题相关的评论之一），“ 一些研究人员认为，这些甲烷湖位于撞击坑中。其他研究人员可能会想到不同的解释。

如果我们从其他证据和推理中或者仅仅通过消除得知，泰坦上有甲烷湖，那么阿雷西博就可以声称看到了它们。但是就其本身而言，它没有提供任何证据表明它们是甲烷，甚至是湖泊。

同样，如果有人在1961年发射了太空望远镜并产生了高质量的火星彩色图像，那么他们就可以根据Arecibo原理声称“首次探测到火星上的季节性植被循环”，因为那时大多数科学家认为那就是季节性的颜色变化。