寬視場(chǎng)VLBI研究進(jìn)展

商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院　曹洪敏

寬視場(chǎng)VLBI研究進(jìn)展

商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院曹洪敏

摘要：多相位中心技術(shù)是一種新穎的數(shù)據(jù)相關(guān)方法，利用該技術(shù)，通過(guò)一次相關(guān)便可得到主波束內(nèi)所有目標(biāo)源的可見度數(shù)據(jù)，從而使VLBI的視場(chǎng)擴(kuò)大到主波束尺寸。該技術(shù)的出現(xiàn)得益于近幾年VLBI軟件相關(guān)處理機(jī)的發(fā)展。本文介紹了多相位中心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和利用該技術(shù)所開展的幾個(gè)VLBI巡天。該技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多相位中心；VLBI；視場(chǎng)；巡天

中圖分類號(hào)：O59

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-864X（2015）03-0192-01

一、引言

VLBI中文譯為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量,是指利用甚長(zhǎng)基線干涉儀,進(jìn)行天體測(cè)量和天體物理研究的技術(shù)方法。發(fā)展VLBI的動(dòng)機(jī)來(lái)自于人們意識(shí)到許多射電源存在“基線長(zhǎng)度”為幾百公里的干涉儀無(wú)法分辨的結(jié)構(gòu)。世界范圍內(nèi)主要的兩個(gè)VLBI網(wǎng)是：美國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉陣（VLBA）和歐洲VLBI網(wǎng)（EVN)。VLBI自1967誕生以來(lái),一直在不斷的發(fā)展當(dāng)中。隨著信號(hào)采樣速率和數(shù)據(jù)記錄速率的不斷提高,VLBI的觀測(cè)帶寬（靈敏度）在不斷增加。VLBI的分辨率取決于觀測(cè)波長(zhǎng)和最長(zhǎng)基線的長(zhǎng)度,因而可以通過(guò)延長(zhǎng)基線來(lái)增加其分辨率。地基VLBI的最長(zhǎng)基線長(zhǎng)度約為10000km（略小于地球的直徑）,若將天線放在空間將突破這一限制,有效增加VLBI的分辨率,據(jù)此人們發(fā)展了空間VLBI[1]。此外,提高分辨率的另一種手段是采用更短的觀測(cè)波長(zhǎng),例如,毫米波VLBI[2]。若要觀測(cè)暫現(xiàn)源,VLBI需具有快速響應(yīng)能力,據(jù)此人們發(fā)展了e-VLBI[3]。

在mJy/sub-mJy水平,天空中的射電源面密度明顯增加,射電望遠(yuǎn)鏡的主波束以內(nèi)將包括幾十甚至數(shù)百個(gè)射電源。傳統(tǒng)VLBI觀測(cè)的視場(chǎng)很小,大約為單天線主波束面積的萬(wàn)分之一,因而增大VLBI的視場(chǎng)是更有效的觀測(cè)mJy/sub-mJy射電源的必然需求。近幾年出現(xiàn)的”多相位中心技術(shù)“[4],是寬視場(chǎng)VLBI的一種解決方案。

二、多相位中心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

VLBI的數(shù)據(jù)相關(guān)是按時(shí)間順序,一個(gè)掃描接一個(gè)掃描進(jìn)行,通常一個(gè)掃描對(duì)應(yīng)一個(gè)源（以相位參考觀測(cè)為例,天線在目標(biāo)源和校準(zhǔn)源之間交替掃描,在厘米波,一次掃描的時(shí)間約幾分鐘）。相關(guān)時(shí),兩個(gè)天線對(duì)應(yīng)偏振對(duì)應(yīng)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)。

寬視場(chǎng)VLBI觀測(cè)的視場(chǎng)的直徑等于單天線主波束的尺寸（半功率全寬,如果觀測(cè)波長(zhǎng)是18厘米，25米口徑天線的半功率全寬大約半度）,視場(chǎng)內(nèi)散布著許多目標(biāo)源（或者說(shuō)許多相位中心）,因而可以把整個(gè)視場(chǎng)稱之為一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)相關(guān)到目標(biāo)場(chǎng)時(shí),如果采用傳統(tǒng)的相關(guān)方法,采用足夠小的積分時(shí)間和足夠窄的譜線通道以便使視場(chǎng)達(dá)到主波束尺寸,雖然技術(shù)上是可行的,然而這樣將產(chǎn)生很大的可見度數(shù)據(jù)以致很難進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)校準(zhǔn),科學(xué)分析。

考慮到在主波束之內(nèi),只有包圍各個(gè)目標(biāo)源的許多小片區(qū)域有實(shí)在意義,剩余的部分對(duì)VLBI來(lái)說(shuō)僅是空?qǐng)?多相位中心技術(shù)采用了一種新穎的相關(guān)方法[4]：

先以足夠高的時(shí)間、頻率分辨率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān),使視場(chǎng)達(dá)到整個(gè)主波束。

將相位中心移到某個(gè)目標(biāo)源處并作頻率的平均(可用通常的譜線通道寬度)。在這一過(guò)程中,通過(guò)將目標(biāo)相位中心的延遲模型和主相位中心的延遲模型作差,并將該相位差應(yīng)用到可見度數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位中心的轉(zhuǎn)移。

如果視場(chǎng)內(nèi)有N個(gè)源,則重復(fù)第二步N次。

重復(fù)前三步,當(dāng)時(shí)間累計(jì)到一定程度,將數(shù)據(jù)做時(shí)間的平均（可用通常的積分時(shí)間）。

三、目前已開展的幾個(gè)寬視場(chǎng)VLBI實(shí)驗(yàn)

寬視場(chǎng)觀測(cè)已經(jīng)陸續(xù)的開展。截至目前,利用多相位中心技術(shù)已經(jīng)開展或正在開展的寬視場(chǎng)VLBI實(shí)驗(yàn)總共有5個(gè)：

（1）Middelberg等人[5]首先采用該技術(shù)在著名的天區(qū)Chandra南深場(chǎng),利用美國(guó)的VLBA開展了一次寬視場(chǎng)VLBI實(shí)驗(yàn)。目的是證認(rèn)目標(biāo)場(chǎng)中的活動(dòng)星系核（AGN）,以及對(duì)該技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)的成功證明了采用該技術(shù)情況下, VLBI認(rèn)證AGN的能力。

（2）為了證認(rèn)AGN和探索巡天面積進(jìn)一步擴(kuò)大后的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法, Middelberg等人[6]在Lockman Hole場(chǎng)東區(qū)選擇了三個(gè)指向中心,利用VLBA開展了另一次寬視場(chǎng)觀測(cè)。

（3）M31 (仙女座星系)是距離我們最近的漩渦星系,在射電波段,其星系盤的主軸大約4度。Morgan等人[7]利用VLBA在M31中開展的寬視場(chǎng)觀測(cè),探測(cè)到16顆背景類星體；該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了利用多相位中心技術(shù),通過(guò)分析背景類星體的散射致寬來(lái)考察河外星系電離星際介質(zhì)的可行性。

（4）Deller & Middelberg[8]利用VLBA,采用同波束相位參考,圍繞強(qiáng)的校準(zhǔn)源開展了較大規(guī)模的VLBI巡天(mJIVE-20),目標(biāo)源為目標(biāo)天區(qū)內(nèi)的VLA FIRST天體；巡天發(fā)現(xiàn)射電源越弱,致密比（VLBI恢復(fù)的流量密度與角秒尺度流量密度之比）越高。弱源的噴流較弱,張角較大,因而有更大的機(jī)會(huì)看到噴流的核。目前該項(xiàng)目仍在進(jìn)行中。

（5）Cao等人[9]采用同波束相位參考,利用EVN,在觀測(cè)一顆高紅移射電類星體的同時(shí),觀測(cè)了其周圍14顆mJy/sub-mJy水平的射電源；該寬視場(chǎng)VLBI實(shí)驗(yàn)成功探測(cè)到了這顆高紅移源,以及另外兩顆源,并給出了它們的天測(cè)位置；實(shí)驗(yàn)的成功展示了EVN的寬視場(chǎng)觀測(cè)能力。

四、寬視場(chǎng)VLBI展望

天空中的亮源彼此相距比較遠(yuǎn),隨著流量密度的降低,源的數(shù)密度逐漸增高,在mJy/sub-mJy水平,射電源的數(shù)密度明顯增加,尤其是深的射電巡天,望遠(yuǎn)鏡主波束內(nèi)的射電源數(shù)目可達(dá)上百個(gè)。如果“一次可以觀測(cè)”數(shù)百個(gè)源,將有效的提高VLBI的觀測(cè)效率,使得利用VLBI

對(duì)射電源,尤其是暗弱射電源的普查成為可能。

隨著將來(lái)“深的射電巡天”的陸續(xù)開展[10],匹配的VLBI巡天將是不可避免的。巡天的數(shù)據(jù)可以用來(lái)研究許多天體物理和宇宙學(xué)的基本問(wèn)題。比如,比較延展的核噴流結(jié)構(gòu),多歷元的觀測(cè)可以來(lái)研究噴流的模型（如,螺旋噴流）,多頻率的觀測(cè)可用來(lái)研究“核移”。更完備的致密對(duì)稱天體樣本有望被建立起來(lái),從而有助于研究射電源的演化?？捎脕?lái)作宇宙學(xué)測(cè)試的“射電標(biāo)準(zhǔn)天體”的完備樣本也有望被最終建立起來(lái)。射電輻射不受遮蔽的影響,因而VLBI的觀測(cè)還可以發(fā)現(xiàn)和研究遮蔽的AGN。對(duì)具有光學(xué)對(duì)應(yīng)體的射電源而言,更多的精確測(cè)量的射電位置,可以被用來(lái)研究射電參考系和光學(xué)參考系的對(duì)接。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kardashev，N.S.，et al. 2013，ARep，57，153.

[2]Krichbaum，T.P.，Roy，A.，Wagner，J.et al. 2013，arXiv∶1305.2811.

[3]van Langevelde，H.J. 2013，arXiv∶1301.1060.

[4]Deller，A.T.，et al. 2011，PASP，123，275.

[5]Middelberg，E.，et al. 2011，A&A，526，74.

[6]Middelberg，E.，2013，A&A，551，A97.

[7]Morgan，J. S.，et al. 2013，ApJ，768，A12.

[8]Deller，A.T. & Middelberg，E. 2014，AJ，147，14.

[9]Cao，H.-M，et al. 2014，A&A，563，111.

[10]Hodge，J.A.，et al. 2011，AJ，142，3.

作者簡(jiǎn)介：曹洪敏，（1980.6.18－）,男，講師，山東淄博,所獲學(xué)歷：研究生,博士,目前從事的工作：商丘師范學(xué)院教師,研究方向：射電天文。