商丘師范學(xué)院物理與電氣信息學(xué)院　曹洪敏

寬視場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)的實現(xiàn)方法和利用該技術(shù)所開展的幾個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；巡天

中圖分類號：O59

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）03-0192-01

一、引言

VLBI中文譯為甚長基線干涉測量,是指利用甚長基線干涉儀,進(jìn)行天體測量和天體物理研究的技術(shù)方法。發(fā)展VLBI的動機(jī)來自于人們意識到許多射電源存在“基線長度”為幾百公里的干涉儀無法分辨的結(jié)構(gòu)。世界范圍內(nèi)主要的兩個VLBI網(wǎng)是：美國的甚長基線干涉陣（VLBA）和歐洲VLBI網(wǎng)（EVN)。VLBI自1967誕生以來,一直在不斷的發(fā)展當(dāng)中。隨著信號采樣速率和數(shù)據(jù)記錄速率的不斷提高,VLBI的觀測帶寬（靈敏度）在不斷增加。VLBI的分辨率取決于觀測波長和最長基線的長度,因而可以通過延長基線來增加其分辨率。地基VLBI的最長基線長度約為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波長,例如,毫米波VLBI[2]。若要觀測暫現(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)百個射電源。傳統(tǒng)VLBI觀測的視場很小,大約為單天線主波束面積的萬分之一,因而增大VLBI的視場是更有效的觀測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VLBI的一種解決方案。

二、多相位中心技術(shù)的實現(xiàn)方法

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

寬視場VLBI觀測的視場的直徑等于單天線主波束的尺寸（半功率全寬,如果觀測波長是18厘米，25米口徑天線的半功率全寬大約半度）,視場內(nèi)散布著許多目標(biāo)源（或者說許多相位中心）,因而可以把整個視場稱之為一個目標(biāo)場。當(dāng)數(shù)據(jù)相關(guān)到目標(biāo)場時,如果采用傳統(tǒng)的相關(guān)方法,采用足夠小的積分時間和足夠窄的譜線通道以便使視場達(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),只有包圍各個目標(biāo)源的許多小片區(qū)域有實在意義,剩余的部分對VLBI來說僅是空場,多相位中心技術(shù)采用了一種新穎的相關(guān)方法[4]：

先以足夠高的時間、頻率分辨率對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān),使視場達(dá)到整個主波束。

將相位中心移到某個目標(biāo)源處并作頻率的平均(可用通常的譜線通道寬度)。在這一過程中,通過將目標(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)來實現(xiàn)相位中心的轉(zhuǎn)移。

如果視場內(nèi)有N個源,則重復(fù)第二步N次。

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

三、目前已開展的幾個寬視場VLBI實驗

寬視場觀測已經(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VLBI實驗總共有5個：

（1）Middelberg等人[5]首先采用該技術(shù)在著名的天區(qū)Chandra南深場,利用美國的VLBA開展了一次寬視場VLBI實驗。目的是證認(rèn)目標(biāo)場中的活動星系核（AGN）,以及對該技術(shù)進(jìn)行測試。實驗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場東區(qū)選擇了三個指向中心,利用VLBA開展了另一次寬視場觀測。

（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中開展的寬視場觀測,探測到16顆背景類星體；該實驗證實了利用多相位中心技術(shù),通過分析背景類星體的散射致寬來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)會看到噴流的核。目前該項目仍在進(jìn)行中。

（5）Cao等人[9]采用同波束相位參考,利用EVN,在觀測一顆高紅移射電類星體的同時,觀測了其周圍14顆mJy/sub-mJy水平的射電源；該寬視場VLBI實驗成功探測到了這顆高紅移源,以及另外兩顆源,并給出了它們的天測位置；實驗的成功展示了EVN的寬視場觀測能力。

四、寬視場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。如果“一次可以觀測”數(shù)百個源,將有效的提高VLBI的觀測效率,使得利用VLBI

對射電源,尤其是暗弱射電源的普查成為可能。

隨著將來“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)可以用來研究許多天體物理和宇宙學(xué)的基本問題。比如,比較延展的核噴流結(jié)構(gòu),多歷元的觀測可以來研究噴流的模型（如,螺旋噴流）,多頻率的觀測可用來研究“核移”。更完備的致密對稱天體樣本有望被建立起來,從而有助于研究射電源的演化。可用來作宇宙學(xué)測試的“射電標(biāo)準(zhǔn)天體”的完備樣本也有望被最終建立起來。射電輻射不受遮蔽的影響,因而VLBI的觀測還可以發(fā)現(xiàn)和研究遮蔽的AGN。對具有光學(xué)對應(yīng)體的射電源而言,更多的精確測量的射電位置,可以被用來研究射電參考系和光學(xué)參考系的對接。

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。