VLBI - INTERFEROMETRÍA DE MUY LARGA BASE
La técnica de Interferometría de Muy Larga Base (VLBI – Very Long Baseline Interferometry) es una de las técnicas de geodesia espacial utilizadas para estudiar la dinámica de la Tierra y su orientación respecto al espacio. La primera observación del VLBI se llevó a cabo en 1967, hace más de 50 años. Concebida inicialmente como una herramienta de radioastronomía, su potencial para aplicaciones geodésicas se reconoció desde el principio. VLBI, junto con otras técnicas de geodesia espacial, proporciona las soluciones más precisas para referenciales terrestres (TRF – Terrestrial Reference Frames) y celestes (CRF – Celestial Reference Frames), y para parámetros de orientación de la Tierra (EOP – Earth Orientation Parameters) para geodesia y astronomía, así como para ciencias relacionadas y aplicaciones prácticas. VLBI tiene características especiales, lo que la convierte en la única técnica moderna existente que realiza y mantiene el marco de referencia celeste (CRF), el Tiempo Universal (UT) y monitorea el movimiento del eje de rotación de la Tierra en el espacio, siendo así la única técnica que puede por sí sola produzir una solución completa TRF-EOP-CRF.
PRINCIPIOS DE TRABAJO
La técnica VLBI se basa en la observación simultánea de un objeto celeste (fuente astronómica) utilizando un conjunto de radiotelescopios distribuidos por todo el mundo. Utilizar esta técnica equivaldría a observar la misma fuente, pero con un radiotelescopio con un diámetro del tamaño de la separación máxima entre telescopios individuales. Este radiotelescopio “artificial” puede alcanzar el tamaño de la Tierra, o escalas mayores, si utilizan también antenas espaciales en la red de observación. Este enorme radiotelescopio tiene una resolución angular mayor que cualquier otro instrumento astronómico (Fig. 1). Para que esta técnica funcione, los observatorios necesitan disponer de equipos de última generación y de alta precisión para establecer una referencia temporal: los Máseres de Hidrógeno (relojes atómicos de alta precisión). Estos se utilizan para acondicionar, digitalizar y marcar de forma coherente la señal recibida por cada radiotelescopio individual. Luego de este proceso, la señal se graba en cada estación utilizando equipos como grabadores Mark 6, y los datos se envían a los Centros de Correlación. En esta etapa, las señales de cada estación se procesan (interfieren constructivamente) utilizando poderosos softwares de correlación, para obtener el retardo de tiempo y la distancia correspondiente (línea de base) entre los radiotelescopios (ver Fig. 2).
El principio de funcionamiento del VLBI es, en teoría, muy sencillo: el VLBI mide la diferencia en los tiempos de llegada, a dos (o más) radiotelescopios, de señales emitidas por fuentes astronómicas distantes mediante correlación cruzada. Como se muestra en la Fig.2, el concepto básico de VLBI consiste en capturar la señal de un frente de onda plano que se propaga desde la fuente, y que llega con un retraso temporal determinado, a dos antenas que apuntan simultáneamente a la misma fuente de radio separadas por el vector de referencia.
La señal captada por cada antena es amplificada y muestreada digitalmente en cada observatorio. Esta señal luego se registra y se envía a un correlador VLBI, donde, después de procesar los datos de todos los observatorios (correlación), se calcula el retraso temporal. Este retraso se utiliza posteriormente para evaluar variaciones muy precisas en la posición relativa de los diferentes radiotelescopios implicados en la observación.
Generalmente, las fuentes de radio observadas son cuásares o galaxias distantes y muy brillantes que no exhiben paralaje ni movimientos propios.
[Ref.] GGOS.org (creado por Laura Sanchez)
RED IVS
En 1999, el IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) fue aceptado como un servicio oficial de la Asociación Internacional de Geodesia (IAG) y la Unión Astronómica Internacional (IAU). Desde entonces, IVS ha sido responsable de coordinar las sesiones de observación VLBI en todo el mundo y los respectivos análisis de datos. El IVS coordina los programas de observación VLBI, establece estándares de desempeño para estaciones, establece convenciones para formato de datos y productos de datos VLBI, emite recomendaciones para software de análisis de datos y establece estándares para la documentación. También coordina sus actividades con la comunidad astronómica debido al doble uso de muchas instalaciones del VLBI tanto para radioastronomía como para geodesia y astrometría.
Las observaciones de VLBI son proporcionadas por más de 40 organizaciones ubicadas en 17 países. La Figura 3 muestra la red IVS actual. Las Estaciones de la Red RAEGE forman parte de la Red IVS, participando en esta misión global.
[Ref.] Image by ivscc.gsfc.nasa.gov
PRODUCTOS
Los productos VLBI proporcionados por el IVS se pueden definir en términos de precisión, fiabilidad, frecuencia de las sesiones de observación, resolución temporal de los parámetros estimados, tiempo de espera desde la observación hasta el producto final y frecuencia de las soluciones. Ejemplos de productos de datos VLBI actualmente disponibles son:
- Referenciales:
- Referencia celeste (CRF) (Fig.4)
- Referencial Terrestre (TRF) (Fig.5)
- Parámetros de orientación de la Tierra (EOP) (Fig. 6)
- Troposfera y otros productos auxiliares de atmosfera (Fig.7)
[Ref.] Imagen por ggos.org
[Ref.] Imagen por ggos.org
[Ref.] Imagen por ggos.org
Desde su descubrimiento, el VLBI también se ha dedicado a estudios astronómicos de fuentes de radio relativamente brillantes y compactas, con resoluciones angulares inferiores a milisegundos de arco. Para obtener una buena resolución en las imágenes, VLBI utiliza la técnica de Aperture Synthesis, que aprovecha la rotación de la Tierra durante las observaciones para muestrear a diferentes frecuencias en el espacio de Fourier, lo que se traduce en un mejor muestreo en el plano de la imagen objetivo. Uno de los momentos más altos y de mayor expresión mediática del uso de las capacidades de la técnica VLBI, quedó demostrado en la reciente adquisición de las primeras imágenes de agujeros negros supermasivos presentes en el centro de la galaxia M87 y en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea (Fig. 8).
Para la geodesia espacial, el VLBI desempeña un papel único en la realización y mantenimiento práctico del Marco de Referencia Celestial Internacional (ICRF – International Celestial Reference Frame), contribuyendo también significativamente al Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF – International Terrestrial Reference Frame), proporcionando con precisión inigualable las posiciones, y respectivas variaciones, de los distintos radiotelescopios en la Tierra. Es la única técnica de geodesia espacial que proporciona directamente el conjunto completo de parámetros de orientación de la Tierra (movimientos de los polos, orientación del eje de rotación terrestre y duración del día), que son cruciales para las aplicaciones de posicionamiento y navegación en la Tierra y en el espacio.
El ICRF se basa actualmente en casi 40 años de datos adquiridos por VLBI en radiofrecuencias utilizadas en geodesia y astrometría de forma estándar (2,3 y 8,4 GHz), complementados con datos en frecuencias más altas (24 GHz y frecuencia dual 8,4 y 32 GHz) en los últimos 15 años. La última revisión del sistema, denominada ICRF3, utiliza 303 “fuentes de referencia”, distribuidas uniformemente en el cielo, lo que permite definir los ejes de un sistema cuasi inercial. Las posiciones de las fuentes astronómicas están vinculadas a este marco de referencia, que también es el sistema utilizado para monitorear y medir los EOPs.
El VLBI geodésico también contribuye a la realización del ITRF midiendo largas líneas de base intercontinentales dentro de redes globales. La revisión actual de este sistema es el ITRF2020. En comparación con otras técnicas de geodesia espacial que utilizan satélites (es decir, GNSS, DORIS o SLR), VLBI tiene la principal ventaja de que la realización del ITRF depende únicamente de la velocidad de la luz, que se utiliza para transformar los retrasos temporales observables en unidades de medida. Los resultados obtenidos por las Estaciones RAEGE de Yebes y Santa Maria contribuyeran para la realización del ITRF2020.
COMENTARIOS FINALES
Desde 2005, el IVS ha estado desarrollando un sistema VLBI de última generación conocido como VGOS (VLBI Global Observing System) para apoyar el esfuerzo mundial de la comunidad geodésica para lograr precisiones de 1 mm en posición y 0,1 mm/año en estabilidad a escalas globales. La Red VGOS propone el uso de mediciones continuas para obtener una serie temporal ininterrumpida de las posiciones de las estaciones y los parámetros de orientación de la Tierra, y un tiempo de respuesta desde las observaciones hasta los resultados geodésicos iniciales en menos de 24 horas.
Algunos de los resultados científicos derivados de VLBI incluyen:
- Movimiento de las placas tectónicas de la Tierra;
- Deformación local y levantamiento o hundimiento local;
- Definición del marco de referencia celeste;
- Variaciones en la orientación de la Tierra y la duración del día;
- Mantenimiento del marco de referencia terrestre;
- Medición de las fuerzas gravitacionales del Sol y la Luna sobre la Tierra y la estructura profunda de la Tierra;
- Mejora de modelos atmosféricos.
La Estación RAEGE de Yebes contribuye à la Red VGOS desde 2016 y la Estación RAEGE Santa Maria desde 2023, participando ambas en las sesiones de observación VGOS como estaciones regulares.
[Ref.] Schuh, H., & Behrend, D. (2012). VLBI: A fascinating technique for geodesy and astrometry. Journal of geodynamics, 61, 68-80.
[Ref.] ITU-R, “Technical and operational characteristics of the existing and planned Geodetic Very Long Baseline Interferometry”, Report ITU-R RA.2507-0, 2022.