致密射電源0400+258的毫角秒尺度偏振研究*

李宇航，張海燕，陳如榮，陳天祿

(1 西藏大學(xué) 宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 拉薩 850000； 2 中國科學(xué)院國家天文臺 中國科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)

吉赫茲峰譜 (gigahertz peaked spectrum, GPS) 源是光學(xué)薄區(qū)域譜指數(shù)α≥0.5(S∝ν-α)的致密射電源，約占河外射電源數(shù)目的10%，線尺度一般小于1 kpc。由于同步自吸收或自由—自由吸收效應(yīng)，它們的射電頻譜會出現(xiàn)低頻反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致峰形結(jié)構(gòu)，峰值頻率位于500 MHz～10 GHz[1]。關(guān)于GPS源，目前一般認(rèn)為：1)GPS源是比較年輕的射電源，處于演化的早期，未來會演化成致密陡譜(compact steep spectrum，CSS) 源。2)GPS源與周圍稠密的介質(zhì)有較強(qiáng)烈的相互作用，從而限制了它們的尺度。3)GPS源可能是暫現(xiàn)源或間歇源。因此，對GPS源射電結(jié)構(gòu)和輻射情況的研究，可以促進(jìn)對它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)、演化和周圍物理環(huán)境的認(rèn)識[2]。此外，由于它們與周圍星系介質(zhì)有較強(qiáng)的相互作用，偏振觀測可以觀測源的偏振情況和反推磁場結(jié)構(gòu)，更加深入地了解源噴流和介質(zhì)的相互作用[2-7]。

我們從Fomalont等[8]在1996年開展的美國甚長基線干涉陣(very long baseline array, VLBA) 5 GHz觀測項(xiàng)目中選取射電源0400+258進(jìn)行研究。該源屬于類星體和GPS源[9]，紅移為2.109。5 GHz頻段VLBA觀測顯示該源呈單側(cè)核-噴流結(jié)構(gòu)，噴流向東北方向延伸，結(jié)構(gòu)較扭曲，有明顯的節(jié)點(diǎn)，核射電輻射占主導(dǎo)[8]。43 GHz頻段VLBA觀測顯示射電核尺度約為0.21 mas(milliarc seconds,毫角秒)，噴流向東南方延伸約2 mas，再轉(zhuǎn)向東北方[10]。源0400+258毫角秒尺度有明顯的噴流，形態(tài)結(jié)構(gòu)比較扭曲，推測它們與周圍的介質(zhì)有較為強(qiáng)烈的相互作用，便于研究源與周圍環(huán)境的相互作用。美國國立射電天文臺1.4 GHz頻段的VLA巡天項(xiàng)目(NVSS)觀測到該源有一定的偏振輻射[11]，而Gardner等[12-13]利用澳大利亞Parkes射電望遠(yuǎn)鏡于5、2.7、1.4 GHz頻段的偏振觀測得到該源的偏振度分別為4.5%、3.0%和3.9%，并得到源的旋轉(zhuǎn)量(rotation measure, RM)的值為42.0 rad/m2。目前針對該源0400+258的5 GHz和8 GHz頻段的毫角秒尺度的偏振觀測不是很多，通過VLBA 5 GHz和8 GHz同時的偏振觀測，可以得到它們毫角秒尺度的射電輻射強(qiáng)度圖和偏振圖，并獲得旋轉(zhuǎn)量分布，進(jìn)而研究其射電結(jié)構(gòu)、內(nèi)稟的偏振情況和磁場結(jié)構(gòu)，并分析噴流與介質(zhì)的相互作用。本文采用的哈勃常數(shù)H0=71 km·s-1·Mpc-1，物質(zhì)密度參數(shù)Ωm=0.27，暗能量密度參數(shù)ΩΛ=0.73。

1 觀測與數(shù)據(jù)處理

2004年2月25日，我們利用VLBA的10面天線對一系列射電源進(jìn)行觀測，源0400+258便是其中之一，觀測代碼為BZ031。采用雙偏振模式，觀測頻段為5 GHz和8 GHz，為獲得目標(biāo)源的旋轉(zhuǎn)量RM分布，5 GHz分為4.6 GHz和5.0 GHz兩個頻段，8 GHz分為7.9 GHz和8.8 GHz兩個頻段，每個頻段分為4個中頻，每個中頻有16個通道，通道帶寬為8 MHz，1 bit量化。源0400+258每個頻段的累計(jì)觀測時長約為23 min，總共觀測了約1.5 h。觀測數(shù)據(jù)由位于美國索科里(Socorro)的FX架構(gòu)相關(guān)處理器進(jìn)行相關(guān)，輸出UVFITS數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理[14]。

參照AIPS (astronomical image processing system) 軟件包的使用說明[15]，利用AIPS對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯、幅度預(yù)校準(zhǔn)、視差角校準(zhǔn)、帶通校準(zhǔn)、儀器相位校準(zhǔn)和條紋擬合等步驟，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，再應(yīng)用校準(zhǔn)和編輯數(shù)據(jù)，然后自校準(zhǔn)和成圖。之后利用源DA193進(jìn)行設(shè)備偏振(D-term)改正，并利用源1308+326進(jìn)行絕對偏振位置角改正(引用 VLBA/VLA 偏振角校準(zhǔn)網(wǎng)站：http:∥www.aoc.nrao.edu/～smyers/calibration/)，獲得偏振分布圖，并通過AIPS軟件包中RM任務(wù)得到源旋轉(zhuǎn)量RM分布圖。

2 結(jié)果和分析

通過數(shù)據(jù)處理，得到了目標(biāo)源0400+258在4個觀測頻率的總流量和偏振觀測結(jié)果。使用AIPS的JMFIT命令對目標(biāo)源進(jìn)行高斯擬合，得到了模型擬合結(jié)果，見表1。

2.1 流量結(jié)構(gòu)與偏振

圖1(a)和1(b)分別為5.0 GHz和7.9 GHz觀測頻率疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振矢量分布圖(1 mas=8.43 pc)。

該源呈現(xiàn)單側(cè)核—噴流結(jié)構(gòu)。結(jié)合表1，在5.0 GHz觀測頻率上，源流量結(jié)構(gòu)主要由射電核心區(qū)域C和噴流上的節(jié)點(diǎn)J1組成，輻射流量分別占總流量的85.13%和14.87%，噴流向東北方向延伸。本次得到的射電結(jié)構(gòu)符合已有的觀測結(jié)果[5]，比較穩(wěn)定。7.9 GHz觀測頻率的圖像展示了更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，主要由射電核C、噴流J2和節(jié)點(diǎn)J1組成，輻射流量分別占總流量的93.23%、3.93%和2.84%。節(jié)點(diǎn)可能是噴流與周圍介質(zhì)相互作用的結(jié)果。

本研究首次得到了源0400+258在5 GHz和8 GHz頻段的毫角秒尺度偏振結(jié)構(gòu)，偏振矢量1 mas=3.125 mJy/beam。各個觀測頻率的偏振觀測結(jié)果見表1。結(jié)合表1和圖1，該源的偏振流量集中在射電核區(qū)域，射電核之外的區(qū)域偏振流量值小于3σ，有較大的不確定性。8 GHz頻段的偏振流量值比5 GHz頻段稍高，但各個頻率處偏振度均為1%左右，比較低，而噴流區(qū)域未觀測到明顯的偏振輻射。推測它們周圍有較濃密的介質(zhì)，產(chǎn)生較強(qiáng)的消偏振效應(yīng)，而有限的分辨率也可能造成低偏振度觀測結(jié)果。

表1 模型擬合結(jié)果Table 1 Results of model fitting

圖1 疊加在源0400+258輻射強(qiáng)度圖上的偏振矢量分布圖Fig.1 Distribution of polarization flux density superposed on the contour images of the total intensity of the sources 0400+258

2.2 RM和磁場

受介質(zhì)影響，源偏振輻射的偏振角會發(fā)生改變，使觀測得到的偏振角χobs不等于源輻射內(nèi)稟的偏振角χ0，并與觀測波長λ有關(guān)，它們之間的關(guān)系為

χobs=χ0+RMλ2.

(1)

利用AIPS的RM任務(wù)和4個觀測頻率偏振矢量分布，首次得到該源毫角秒尺度旋轉(zhuǎn)量RM值分布，見圖2。在本次觀測頻段上，銀河系內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量可以忽略[16]。源0400+258的旋轉(zhuǎn)量RM集中在射電核靠近噴流處3 mas×4 mas范圍內(nèi)。RM的峰值位于距射電核約2 mas處，靠近噴流，峰值為564.8 rad/m2，并沿噴流方向減少至-5.4 rad/m2，存在分布梯度，推測偏振旋轉(zhuǎn)量主要由源周圍的介質(zhì)產(chǎn)生。而RM值在垂直于噴流方向上存在明顯的梯度，RM值從東南側(cè)的238.8 rad/m2增長至西北側(cè)的564.8 rad/m2，與Asada等[17]得到的類星體0836+710垂直于噴流方向的RM值分布情況類似，可能存在螺旋狀的磁場結(jié)構(gòu)。

輻射強(qiáng)度圖的參數(shù)同圖1圖2 疊加在5.0 GHz的輻射強(qiáng)度圖上的RM分布圖Fig.2 Distribution of RM superposed on the contour images of the total intensity at 5.0 GHz with the same parameters as Fig.1

對于核-噴流結(jié)構(gòu)的活動星系核，射電核一般認(rèn)為是光學(xué)厚的[5]。根據(jù)5 GHz和8 GHz的輻射強(qiáng)度圖，得到了偏振區(qū)域的射電頻譜的譜指數(shù)分布，為0.13～0.77，且偏振區(qū)域集中于核區(qū)，偏振度為1%左右，比較低，由此認(rèn)為偏振區(qū)域是光學(xué)厚的[5-6,16-19]。對于光學(xué)厚區(qū)域，磁場方向與輻射偏振方向平行[5,16-18]。由此根據(jù)得到的RM分布，移除介質(zhì)干擾，得到了該源毫角秒尺度的內(nèi)稟磁場結(jié)構(gòu)，見圖3。圖3顯示磁場主要集中在射電核靠近噴流的部分，方向大致與噴流方向平行，并在接近噴流處有明顯的轉(zhuǎn)向，傾向于沿著噴流方向。與Hovatta等[5]和Hutchison等[16]對射電源0836+710磁場結(jié)構(gòu)的討論類似，磁場方向與噴流方向平行可能表明周圍介質(zhì)對源有該方向的作用力，源周圍的等離子體介質(zhì)在噴流方向上被壓縮，增強(qiáng)了該方向上的磁場。

輻射強(qiáng)度圖的參數(shù)同圖1圖3 疊加在5.0 GHz的輻射強(qiáng)度圖上的內(nèi)稟磁場分布圖Fig.3 Distribution of intrinsic magnetic field superposed on the contour images of the total intensity at 5.0 GHz with the same parameters as Fig.1

3 結(jié)論

通過5 GHz和8 GHz的VLBI偏振觀測，對目標(biāo)源0400+258的射電結(jié)構(gòu)、偏振性質(zhì)以及磁場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。該源呈單側(cè)核-噴流結(jié)構(gòu)，有較大尺度的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，射電核的輻射流量占主導(dǎo)。射電結(jié)構(gòu)大體符合以往的觀測結(jié)果，較穩(wěn)定。

本研究首次得到源0400+258的5 GHz和8 GHz頻段毫角秒尺度的偏振結(jié)構(gòu)。偏振輻射集中在射電核區(qū)域，8 GHz頻段偏振流量比5 GHz頻段大，但偏振度相近，均為1%左右，偏振度比較低。文獻(xiàn)[1-2]在收集了一系列CSS源和GPS源的偏振觀測結(jié)果后指出在5 GHz觀測頻段上這兩類源的偏振度一般較低，并指出低觀測頻段上產(chǎn)生低偏振度結(jié)果的原因可能是有限的分辨率或周圍濃密介質(zhì)產(chǎn)生的消偏振效應(yīng)。Dallacasa等[20]也得到了類似的低偏振度結(jié)果。本次研究的低偏振度觀測結(jié)果符合他們的結(jié)論。

本次得到的該源毫角秒尺度旋轉(zhuǎn)量RM分布，在與噴流平行和垂直的兩個方向上都存在分布梯度，RM可能主要由源周圍介質(zhì)產(chǎn)生，并可能存在螺旋狀的磁場。通過偏振區(qū)域所處的位置，結(jié)合其射電頻譜的譜指數(shù)分布以及低偏振度的觀測結(jié)果，判斷該區(qū)域?yàn)楣鈱W(xué)厚，磁場方向與偏振方向平行。通過得到的RM分布，移除介質(zhì)的影響，得到了該源毫角秒尺度的磁場結(jié)構(gòu)，其方向大致沿著噴流方向，反映了當(dāng)?shù)貒娏鞯牧鲃臃较蚝湍芰枯斔颓闆r。更高頻段的偏振觀測將有助于進(jìn)一步研究目標(biāo)源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和更詳細(xì)的磁場結(jié)構(gòu)。

此研究使用了美國甚長基線陣VLBA的觀測數(shù)據(jù)，VLBA屬于美國射電天文臺 (NRAO) ，由美國聯(lián)合大學(xué)管理，美國國家自然科學(xué)基金(NSF)資助。在數(shù)據(jù)處理過程中使用了軟件包AIPS，由美國國立射電天文臺提供。