楊 戟 單文磊

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺 南京 210023)

(2日本國立天文臺 東京 181-8511)

1 引言

一氧化碳(CO)分子J=1→0躍遷譜線是星際分子云中分布最廣的一種分子譜線輻射,位于3毫米波段,此處J代表角動量量子數(shù).對本星系的CO巡天是調(diào)查銀河系分子氣體廣域分布的基本手段.巡天數(shù)據(jù)幫助人們研究星際分子云的物理和化學(xué)狀態(tài)、恒星形成過程、星際環(huán)境與物質(zhì)循環(huán)、銀河系結(jié)構(gòu)與演化等一系列前沿課題.作為毫米波段的基礎(chǔ)資料,CO巡天數(shù)據(jù)也對天文學(xué)其他領(lǐng)域具有參考價值[1–2].自上世紀(jì)70年代開始不斷開展CO巡天計(jì)劃[3–4],其中代表性的工作包括Columbia-CfA(The Columbia University-Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics-Universidad de Chile CO Survey)巡天[5]、FCRAO(Five College Radio Astronomy Observatory)14 m望遠(yuǎn)鏡的外銀道面巡天(Outer Galaxy Survey,OGS)[6]以及最近的CHIMPS(CO Heterodyne Inner Milky Way Plane Survey)[7]、FUJIN(FOREST(FOur-beam REceiver System on the 45 m Telescope)Unbiased Galactic plane Imaging survey with the Nobeyama 45-m telescope)[8]、SEDIGISM(Structure,Excitation and Dynamics of the Inner Galactic Inter-Stellar Medium)[9]巡天等等.這一系列巡天豐富了人們對銀河系分子云的了解.基于紫金山天文臺13.7 m望遠(yuǎn)鏡(PMO-13.7 m)的銀河畫卷巡天(Milky Way Imaging Scroll Painting,MWISP)基本完成了北天銀道面±5?區(qū)域的覆蓋[10],也獲得了一系列有價值的發(fā)現(xiàn).

早先的巡天模式是以單臺天線加上單波束接收機(jī)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)來進(jìn)行觀測.在巡天的靈敏度與巡天的空間覆蓋速率相互制約的情況下,多波束接收機(jī)的應(yīng)用顯著增加了毫米波譜線巡天的覆蓋能力.掃描的速率不僅因波束數(shù)量的倍增而增加,同時也由于提升了掃描的占空比從而提高了觀測效率.楊戟、單文磊等人為PMO-13.7 m研制的第1代多波束接收機(jī)–超導(dǎo)成像頻譜儀(Superconducting SpectroScopic Array Receiver,SSAR),是一臺3×3像元的邊帶分離型多波束接收機(jī)[11].結(jié)合新的飛行掃描(On-The-Fly,OTF)成圖模式,它的綜合探測能力比以往的單像元系統(tǒng)提高了近60倍.然而即便用這樣的多波束系統(tǒng),對銀緯b=±5?的巡天也已耗費(fèi)10 yr之久.若用同樣的望遠(yuǎn)鏡對銀道面附近分子氣體相對集中的b=±35?范圍進(jìn)行巡天,則需要70 yr的時間!由于觀測的噪聲水平與積分時間的根號成反比,在同樣的天區(qū)面積下將現(xiàn)有的0.5 K@0.16 km·s?1的巡天噪聲水平[10]降低到0.2 K,則需要花費(fèi)(0.5/0.2)2倍的積分時間.因此就目前的系統(tǒng)而言,要完成銀道面b=±35?范圍、噪聲水平低到0.2 K的CO巡天則完全無法想象.由此不難看出,毫米波巡天望遠(yuǎn)鏡的波束規(guī)模和覆蓋能力仍需要大幅度地加以提高.

從上世紀(jì)末開始,毫米波分子譜線巡天逐漸從接收單一譜線的模式發(fā)展到同時接收多條譜線的模式,以增加頻譜巡天的信息量.楊戟、史生才等人從1997年開始為PMO-13.7 m研制3毫米波段多譜線接收系統(tǒng)[12],利用單臺(單波束)接收機(jī),同時接收CO及其同位素的3條譜線:12CO、13CO和C18O.在系統(tǒng)中,上邊帶(Upper Side Band,USB)接收12CO,下邊帶(Lower Side Band,LSB)接收13CO和C18O,這是國際上最早運(yùn)用CO多譜線接收原理的系統(tǒng).該系統(tǒng)于2002年投入開放使用,先后開展了紅外暗云[13]、普朗克(Planck)冷核樣本[14]等多個課題的觀測.

從那之后,日本國立天文臺NRO(Nobeyama Radio Observatory)45 m、大阪府立大學(xué)1.85 m這些望遠(yuǎn)鏡陸續(xù)采用類似的譜線接收配置.NRO 45 m利用多譜線開展了FUJIN巡天[8].夏威夷的15 m亞毫米波望遠(yuǎn)鏡JCMT(James Clerk Maxwell Telescope)在完成了12CO J=3→2巡天計(jì)劃COHRS(CO High-Resolution Survey)[15]的基礎(chǔ)上,又繼續(xù)開展了13CO&C18O J=3→2的巡天項(xiàng)目CHIMPS[7].歐南臺(European Southern Observatory,ESO)的10 m APEX(Atacama Pathfinder Experiment)望遠(yuǎn)鏡在完成塵埃連續(xù)譜巡天ATLASGAL(APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy)之后,為了獲得塵埃云的視向速度、距離、化學(xué)以及運(yùn)動信息,又繼續(xù)開展了13CO&C18O J=2→1譜線的巡天SEDIGISM[16].澳大利亞Mopra 22 m望遠(yuǎn)鏡對南天銀道面的巡天,包括ThrUMMS(Three-mm Ultimate Mopra Milky Way Survey)[17]和CHaMP(Census of High-and Medium-mass Protostars)[18]巡天,也都采用了CO同位素的多譜線組合.時至今日,CO同位素的多譜線組合已經(jīng)成為銀河系CO巡天中一個普遍采用的配置.近年來隨著望遠(yuǎn)鏡能力的擴(kuò)展,在可分辨的近鄰星系的觀測中,人們也開始運(yùn)用CO同位素的多譜線組合,例如Viaene等人對M31的巡天[19]以及M′endez-Hern′andez等人對恒星形成星系的觀測[20].

回顧PMO-13.7 m望遠(yuǎn)鏡不同階段接收模式的演變歷程,我們可以歸納出這樣的一個基本趨勢:從“單波束、單譜線”→“單波束、多譜線”→“多波束、多譜線”→“眾多波束、眾多譜線”.在這個趨勢里,既不斷增加帶寬,同時也不斷擴(kuò)大視場.在單個超導(dǎo)接收像元的噪聲接近其量子極限、靈敏度不再提高的背景下,通過增加多遍掃描或積分時間是提升巡天靈敏度的一個主要手段.不難看出,通過增加多波束的接收單元、增加每個單元的帶寬,提升望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的信息接收能力,在有限時間內(nèi)獲取更多的信息量.這不僅是從過去到現(xiàn)在的一個發(fā)展基調(diào),也必定是未來的趨勢.本文強(qiáng)調(diào)這一趨勢,面向毫米波分子譜線巡天的幾個重點(diǎn)科學(xué)目標(biāo),圍繞“眾多波束、眾多譜線”這個總體要求,提出新一代多波束接收系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì).在文章的第2部分我們論述未來有重點(diǎn)突破價值的幾個巡天科學(xué)目標(biāo).針對總體目標(biāo),在第3部分我們提出系統(tǒng)的技術(shù)方案,包括頻率窗口的選擇和配置,介紹前端接收、后端處理等新原理和方案.在第4部分我們對本方案中關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性給出了論證.隨后我們也對研制和使用中可能關(guān)注的幾個問題做簡要的討論和展望.

2 新一代毫米波多波束接收機(jī)的幾個重點(diǎn)科學(xué)目標(biāo)

從國內(nèi)外分子云巡天,尤其是銀河畫卷巡天的最新進(jìn)展出發(fā),我們展望下一代毫米波多波束接收機(jī)可以重點(diǎn)瞄準(zhǔn)的科學(xué)目標(biāo).概括地說,這些科學(xué)目標(biāo)聚焦于更廣的空間分布、更深的成像以及更多的譜線信息.從分子云研究領(lǐng)域的整個視角看,這些科學(xué)目標(biāo)都是獨(dú)具特色的基礎(chǔ)性課題.

2.1 高靈敏度下分子云弱發(fā)射區(qū)的深度探查

提高巡天圖像的靈敏度是設(shè)計(jì)未來巡天時需要考慮的首要目標(biāo).巡天靈敏度的增加將有助于拓展對整個銀河系暗弱和延展的氣體發(fā)射區(qū)域的探測.從普朗克(Planck)衛(wèi)星的全天CO窄帶成像[21]可以看到,CO發(fā)射從銀道面一直延伸到高銀緯區(qū)域,分布是十分延展的.相對于全天延展的CO發(fā)射而言,目前有詳細(xì)譜線成圖的區(qū)域僅僅局限于銀道面附近相對明亮的區(qū)域,而更廣的暗弱區(qū)域尚未覆蓋.擴(kuò)大波束規(guī)模,將意味著我們能夠繼續(xù)拓展目前探測到的云邊界.它將使我們對銀河系分子云的分布范圍,包括現(xiàn)有巡天的區(qū)域和高銀緯廣泛的區(qū)域,實(shí)現(xiàn)更為完整的覆蓋.結(jié)果可與中性氫(HI)原子氣體探針、塵埃和射電連續(xù)譜分布以及中性碳(C[I])、電離碳(C[II])等光致離解區(qū)(Photo-Dissociation Region,PDR)探針的診斷相結(jié)合.這類組合將為揭示和理解星際介質(zhì)的總體分布以及電離、中性和分子等不同氣體狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化提供更完備的資料.

靈敏度的提高將提升分子云的流量完備度[22].在有限的靈敏度下,人們無法獲取波束方向全部的分子發(fā)射,也就是說探測到的流量總是不完備的.對數(shù)據(jù)的最新分析表明,銀河畫卷作為迄今最靈敏的巡天,它所探測到的流量也僅為預(yù)測總流量的58%[23].對遠(yuǎn)距離的區(qū)域,流量的完備率相對更低.在如此低完備度的情形下,對銀河系分子氣體的尺度分布和物理性質(zhì)的各種討論將不可避免地引入顯著的、與距離相關(guān)聯(lián)的不確定性.根據(jù)銀河畫卷的分析結(jié)果[22–23]我們可以預(yù)測,將CO巡天的靈敏度(用噪聲水平衡量)從目前的0.5 K提高到0.2 K的水平,可以使太陽系附近5 kpc范圍的流量探測完備率比例提到80%的程度.這是在當(dāng)前水平上的一個顯著提升,它將使人們能夠在流量相對完備的情形下描述分子氣體的分布和性質(zhì).

靈敏度的增加將重新描繪和定義分子云的邊界.星際分子云的延展特性導(dǎo)致由觀測所描繪的云邊界直接依賴于探針的選擇以及在這個探針下的觀測靈敏度.從最低激發(fā)密度和宇宙線屏蔽的最低穩(wěn)定存在密度出發(fā),人們認(rèn)為對分子云而言CO可能是最延展的存在,它是示蹤分子云范圍的最佳探針.但CO的探測同樣取決于觀測靈敏度極限.由于時間限制,到目前為止的CO巡天所觀測的區(qū)域都是相對集中于銀道面附近的明亮分子云.缺失暗弱且延展的輻射區(qū)域信息將顯著影響對分子云性質(zhì)的估計(jì).例如,靈敏度和探測區(qū)域的完整性對柱密度分布函數(shù)(N-PDF,N表示柱密度,PDF表示Probability Distribution Function)的統(tǒng)計(jì)帶來影響[24–25].因此,目前巡天靈敏度定義的這個邊界是亟需拓展的.

以銀河畫卷目前的CO噪聲水平的0.5 K@0.16 km·s?1為例,如果取1–3 km?1的速度寬度以及CO-H2的換算(X-因子)為2×1020cm?2(K·km·s?1)?1[26],當(dāng)前的3σ靈敏度極限對應(yīng)于N(H2)=(2–5)×1020cm?2的柱密度,N(H2)表示氫分子柱密度,或?qū)?yīng)于光學(xué)波段消光星等Av=0.4–0.5 mag的消光范圍[27–28].對比理想的分子云模型,這個消光范圍應(yīng)該已經(jīng)到達(dá)了分子云的邊界.然而如上所述,銀河畫卷巡天檢測到的流量約為總流量的58%.其余的流量到底以何種形式存在則是值得關(guān)注的一個基礎(chǔ)性問題.數(shù)值模擬暗示,CO云主要示蹤了巨分子云復(fù)合體(Giant Molecular Cloud,GMC)里的高密度區(qū),但丟失了低密度區(qū)[29].顯然,最終回答這個問題離不開更深度的觀測.

2.2 多探針對分子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像與化學(xué)性質(zhì)診斷

未來分子巡天的另一個方向是通過增加接收帶寬來獲得更多的譜線信息.由于分子云的分布和物理結(jié)構(gòu)是非均勻的,而不同的分子探針又有其各自對應(yīng)的溫度密度探測范圍,從而使得不同探針的觀測圖像分布也呈現(xiàn)出差異和多樣性.已有的應(yīng)用表明,無論從天體物理的信息需求角度還是從觀測效率和較準(zhǔn)精度的角度,CO及其同位素13CO和C18O分子J=1→0的多譜線組合都有著科學(xué)上的優(yōu)勢.利用多譜線組合:(1)可以同時獲得CO及其同位素13CO和C18O譜線的光學(xué)厚度、激發(fā)溫度;(2)多譜線組合在給出CO分子云邊界信息的基礎(chǔ)上,也提供了與13CO和C18O兩個更高密度的探針?biāo)鶎?yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu).CO多譜線組合探測的區(qū)域大致對應(yīng)了“云-核-團(tuán)塊”這3個不同層次;(3)CO多譜線組合還是測量豐度比的一個獨(dú)特探針組合.相比以往的單譜線觀測,以巡天方式對大天區(qū)同時獲得這些關(guān)聯(lián)同位素的信息,給精確測量分子云的物理量帶來顯著的便利.一個有趣的例子是最近報道的一個超寬帶接收方案,它正嘗試著同時利用CO及其同位素13CO和C18O J=3→2和J=2→1兩個躍遷的6條譜線[30].

未來的巡天中應(yīng)繼續(xù)用好12CO、13CO和C18O這套獨(dú)特的譜線組合.不僅如此,還應(yīng)當(dāng)顯著增加帶寬以涵蓋更多的分子探針譜線,對分子云多樣的物理?xiàng)l件加以診斷,為分子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述提供更多信息[31].表1列舉了8 GHz上、下邊帶覆蓋的主要分子譜線探針及其所對應(yīng)的密度區(qū)間,其中?E是能級對應(yīng)的能量,k是玻爾茲曼常數(shù),ncr是臨界密度,N、F、F1都是“非對稱陀螺”分子躍遷量子數(shù).可以看到,當(dāng)我們把每個邊帶增加到8 GHz時,原先需要用接收機(jī)的兩個邊帶分別接收的CO同位素3條譜線就可以用一個邊帶(例如上邊帶)來接收.并且接收機(jī)的上、下邊帶都將覆蓋更多的譜線探針,尤其是下邊帶可以同時接收N2H+、HCN等多個高密度氣體探針.利用這些不同密度或激發(fā)條件的探針組合,將為分子云內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和多樣物理過程提供診斷.從表1看到,同時探測這些分子譜線需要系統(tǒng)具備≥8 GHz的帶寬.相比于上一代1 GHz帶寬的SSAR,將8 GHz的瞬時帶寬加以合理定位后,系統(tǒng)對主要譜線的信號接收能力將提高大約4倍.因此,新一代多波束系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)把8 GHz帶寬以及USB/LSB頻率區(qū)間的合理設(shè)置作為科學(xué)目標(biāo)對研發(fā)的一個重要需求.

雖然目前尚未有利用眾多譜線開展大尺度巡天的先例,但對一些小區(qū)域或小樣本的探測可提供一些有價值的參考.例如,在對92個紅外暗云樣本采用多探針的觀測后,Sanhueza等人發(fā)現(xiàn),HNC、N2H+、HCO+、HCN、C2H、H13CO+等這些高密度躍遷探針都有50%以上的探測率[33].從IRAM(Institut de Radioastronomie Millim′etrique)30 m望遠(yuǎn)鏡對Orion B這個GMC的成圖觀測中也可以看到,12CN、HCO+、HCN、HNC、C2H等顯示出相對延展的分布,而C17O、N2H+和H13CO+等譜線則呈現(xiàn)比較致密的分布[34].可以期待,未來的多波束設(shè)備能夠同時開展這種眾多譜線的廣域巡天.

基于CO及其同位素3條譜線模式下的觀測所提供的同位素豐度比指標(biāo),分子云樣本呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)上的分類差異,冷暗云的指標(biāo)清晰地區(qū)別于那些其中包含加熱源的云[35].在這些同位素指標(biāo)中,云樣本的分布背后進(jìn)一步的含義還有待更深度地去理解.而在類似表1所提供的分子探針信息中具備了比CO及其同位素3條譜線更豐富的化學(xué)信息.很顯然,眾多譜線的數(shù)據(jù)將幫助測定大樣本分子云的化學(xué)性質(zhì)以及這些性質(zhì)在銀河系內(nèi)的區(qū)域性分布.這些化學(xué)信息與云的物理信息一起用來幫助理解分子云樣本可能的演化途徑.

從觀測得到的PPV(Position-Position-Velocity)數(shù)據(jù)空間里劃分單個分子云,不可避免地存在由于同一個視向上不同速度的混疊所導(dǎo)致的不確定性,尤其是在那些速度成分多的方向上.以本方案為參照,眾多譜線的組合探針有助于呈現(xiàn)分子云內(nèi)部更為豐富的結(jié)構(gòu)層次.借助局域的物理和化學(xué)性質(zhì)的分布特征來分離出不同的分子云,可以進(jìn)一步解耦此前由于視向速度的模糊所引起的區(qū)域重疊.

表1 8 GHz上、下邊帶覆蓋的主要分子譜線Table 1 The major molecular lines within 8 GHz USB&LSB bands

2.3 廣域覆蓋下分子云大尺度結(jié)構(gòu)與物質(zhì)循環(huán)

對整個星系尺度上氣體分布的調(diào)查是描繪作為一個漩渦星系的銀河系整體圖像的手段.在大尺度分布的普查進(jìn)程中,由近及遠(yuǎn),人們首先應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題就是太陽系附近的氣體分布與結(jié)構(gòu).一方面這些氣體離觀測者比較近從而可以觀測得更細(xì)致,但同樣也由于觀測者身在其附近,這些結(jié)構(gòu)在天空中的張角范圍很廣,要相對完整地覆蓋這些結(jié)構(gòu),需要花費(fèi)更多的望遠(yuǎn)鏡時間.HI觀測顯示了太陽系附近的氣體結(jié)構(gòu),包括林德布拉德環(huán)(Lindbrad’s Ring)和本地泡(Local Bubble).由光學(xué)波段辨認(rèn)出的古德帶(Gould Belt)是太陽系附近的一個由早型恒星分布所勾勒出的扁平結(jié)構(gòu)(例如,見文獻(xiàn)[36]的綜述).最近,Alves等人利用OGS巡天辨識出太陽系附近一個可能的波浪形氣體結(jié)構(gòu),the Radcliffe Wave[37].顯然,上述這些結(jié)構(gòu)與相互關(guān)系,乃至太陽系附近大尺度氣體物質(zhì)分布,是需要下一代廣域高精度分子巡天加以細(xì)致探究的一個重大謎題.

以往人們主要通過OB星團(tuán)、HII區(qū)等一些明亮的示蹤物來勾畫銀河系的旋臂分布.分子氣體和原子氣體的廣域分布以及脈澤的高精度特性決定了它們也是描繪銀盤面附近物質(zhì)分布及旋臂的一類有用探針(例如文獻(xiàn)[38–39]).借助高靈敏度的CO巡天,我們已經(jīng)能夠發(fā)現(xiàn)更遠(yuǎn)的旋臂片段[40],也能夠測量分子云在銀盤方向的垂直分布細(xì)節(jié)[41].這些新的發(fā)現(xiàn)不斷刷新銀河系的整體圖像.如前所述,當(dāng)前巡天的靈敏度仍然限制了探測范圍以及完備度,尤其在銀河系遠(yuǎn)端的區(qū)域[23].而下一代多波束應(yīng)當(dāng)能夠在更高的靈敏度下顯著拓展對銀河系結(jié)構(gòu)探測的深度和廣度.

從冷暗分子云到幾十pc的巨分子云,再到超新星周圍正在發(fā)生劇烈相互作用的分子云復(fù)合體,磁場是受到普遍關(guān)注的一個觀測物理量.在分子的基本物理量清單里,密度、溫度、速度、豐度等都有了而獨(dú)缺磁場.因此,磁場強(qiáng)度或磁能密度的定量測量是分子云觀測方面亟待突破的課題.人們高度期待新一代多波束終端能同時接收2個互相垂直的線偏振分量.一個具有雙偏振分量的多波束接收機(jī)有望在3毫米波段對分子云大尺度的磁場進(jìn)行測量.這些偏振分量不僅在頻譜接收中可以提供偏振信息,也體現(xiàn)在上下邊帶共16 GHz的連續(xù)譜信息中.例如,借助于更高靈敏度下的Goldreich-Kylafis(GK)效應(yīng),對CO譜線的線偏振測量可以提供大尺度的磁場方向信息[42].眾多譜線的接收模式使得人們應(yīng)用Zeeman效應(yīng)有了更多的選擇.結(jié)合高的速度分辨率,也可以探討利用一些新的方法,例如速度梯度方法(Velocity Gradient Technique,VGT)[43]以及譜線輪廓的測量[44],將分子云的湍動與磁場聯(lián)系起來.在這些測量中,尤其需要那些能夠?qū)eeman縱向分量和偏振度橫向分量以及譜線輪廓測量結(jié)合到一起的同時測量手段[45],以最大限度地降低系統(tǒng)誤差.

3 信號接收和總體方案

根據(jù)以上科學(xué)目標(biāo)的需求,我們提出下一代多波束系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本技術(shù)指標(biāo):(1)～100個波束的接收陣列規(guī)模;(2)邊帶分離,每個邊帶有8 GHz的瞬時帶寬.在繼承CO及其同位素3條譜線接收基礎(chǔ)上,能夠接收更多的譜線;(3)雙極化,可同時接收兩個相互垂直的線偏振分量.每個偏振分量可利用上下邊帶共16 GHz的連續(xù)譜信息.

3.1 工作頻段與信號接收

如上所述,在多種科學(xué)目標(biāo)要求下多譜線接收成為了巡天望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)配.實(shí)踐表明,這種在同一個波段同時接收CO等3條同位素譜線的組合具備高度的科學(xué)價值,其技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:(1)在同一個波段內(nèi)的3條同位素譜線提供的信息更為互補(bǔ);(2)降低了不同設(shè)備狀態(tài)或天氣條件下分別觀測不同譜線所帶來的校準(zhǔn)誤差.在科學(xué)目標(biāo)對巡天觀測要求不斷提高的情形下,今后不但應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持多譜線探測的大方向,并且需要繼續(xù)拓展到眾多譜線的接收模式.圖1示意了接收機(jī)USB和LSB兩個邊帶、接收帶寬、本振(Local Oscillator,LO)頻率fLO以及IF中心頻率等在頻率軸上的相互位置關(guān)系.這里我們設(shè)計(jì)將IF帶寬從以往的1 GHz擴(kuò)寬到8 GHz.這個瞬時帶寬使得USB保留了對CO同位素3條譜線的接收組合.得益于帶寬的擴(kuò)大,此時的USB還覆蓋了12CN、C17O、HC3N等其他有巡天價值的譜線.USB的上限仍需要避開118 GHz處的大氣O2吸收帶,因此我們將USB設(shè)置在107.8–115.8 GHz的區(qū)間.如果將LO設(shè)置在100.8 GHz附近,對應(yīng)的IF中心頻率則為11 GHz,此時的LSB則可以處于85.8–93.8 GHz這個相對優(yōu)化的區(qū)間,其中覆蓋了N2H+、HNC、HCO+、HCN、C2H以及H13CO+等一批高密度探針譜線.

圖1 新一代多波束系統(tǒng)的信號布局示意圖.圖中分別示意了每個接收單元的USB和LSB的接收頻率區(qū)間,也標(biāo)記了f LO、2個邊帶的中心頻率以及它們與2個邊帶中心頻率的相對位置.頻率的單位均為GHz.圖中還畫出了上、下邊帶所覆蓋的常見分子譜線.作為示意,譜線的相對強(qiáng)度采用了IRAM巡天給出的Orion-B實(shí)測結(jié)果(Gratier等[34]文中表2中的積分強(qiáng)度).Fig.1 Schematic layout of frequency windows for the new-generation multi-beam receiver.Working frequency ranges for the USB and LSB of each array element are illustrated.LO frequency f LO,frequency correspoding to center of two sidebands and relative positions with respect to the LO.All the numbers are in unit of GHz.The prominant molecular lines covered by the bands are also marked.To illustrate the relative strength,we adopt the values from IRAM Orion-B survey(The integrated intensity at Table 2 of Gratier et al.[34]).

3.2 波束規(guī)模和偏振接收

PMO-13.7 m望遠(yuǎn)鏡卡焦系統(tǒng)具有相對大視場的特點(diǎn).根據(jù)幾何像差理論并結(jié)合天線的參數(shù),可以得到其視場主要受場曲的限制,在w波段中心頻率具有大約48個波束的視場.考慮到使用波紋喇叭饋源和14 dB的邊緣照明,實(shí)際可實(shí)現(xiàn)波束間隔由波紋喇叭天線開口尺寸限制.在饋源緊密鄰接的矩形陣列的情況下,可容納24×24波束.另外一個值得注意的問題是,在Cassegrain系統(tǒng)中,除了改變波前曲率的作用外,副面也充當(dāng)了光瞳的作用.因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時需要考慮光瞳對離軸波束的遮擋.但這并不造成對視場的根本制約,可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)得到解決.綜合以上考慮,一個10×10規(guī)模的多波束系統(tǒng)可以直接應(yīng)用到13.7 m望遠(yuǎn)鏡上.對其他望遠(yuǎn)鏡場合的應(yīng)用,可能需要考慮焦面上的有效視場大小.

與很多現(xiàn)役的多波束接收機(jī)系統(tǒng)類似,超導(dǎo)成像頻譜儀只能接收一個方向的線偏振.然而,同時接收2個偏振方向的功能需求來自多個科學(xué)目標(biāo).首先是提高靈敏度的需要.即便在大多數(shù)場合,CO及大部分的分子譜線的偏振度比較低,這種情形下將兩個互相垂直的信號進(jìn)行相加,其效果等同于增加了一倍的積分時間,譜線的rms(root-meansquare)噪聲水平降低,巡天的靈敏度得到顯著的提高.其次,焦面的空間利用效率得到了提高.如上所述,對特定的望遠(yuǎn)鏡,焦面尺寸限制了最終可應(yīng)用的波束數(shù)量和陣列規(guī)模.對同一個波束而言,多接收一個偏振分量則意味著焦面的利用率提高了一倍.此外,對涉及到磁場和偏振的若干特定科學(xué)目標(biāo),例如對譜線或連續(xù)譜偏振度的測量,則顯然更需要獲取觀測對象的雙偏振成分.最后,由于偏振量的增加以及帶寬的拓展,兩個偏振、上下邊帶共計(jì)32 GHz的連續(xù)譜信號也是值得一些3毫米波段科學(xué)課題可以考慮加以利用的信息.

4 關(guān)鍵技術(shù)及其可行性討論

為實(shí)現(xiàn)雙偏振(雙極化)、邊帶分離(Sideband Separation)、每個邊帶8 GHz帶寬的接收系統(tǒng)總體目標(biāo),在系統(tǒng)中我們提議運(yùn)用混合平面集成技術(shù)(Hybrid Planar Integration)、完美二叉樹子陣拼接、低功耗低溫放大器、8 GHz帶寬數(shù)字FFT(Fast Fourier Transform)頻譜等先進(jìn)技術(shù)方案.

4.1 混合平面集成技術(shù)的特點(diǎn)及由來

混合平面集成技術(shù)是我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)大規(guī)模毫米波、亞毫米波陣列超導(dǎo)接收機(jī)前端而提出的原創(chuàng)性技術(shù)框架[46–47].這個技術(shù)框架允許最大限度地利用有限的焦平面,實(shí)現(xiàn)密集的空間采樣.使用這個技術(shù)方案還可以實(shí)現(xiàn)雙極化同時接收.每一極化信號經(jīng)高靈敏的超導(dǎo)混頻器進(jìn)行下變頻,在電路層面實(shí)現(xiàn)邊帶分離.

混合平面集成技術(shù)的思想產(chǎn)生于上一代多波束接收機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn),也就是2007–2010年期間完成的超導(dǎo)成像頻譜儀[11].在超導(dǎo)成像頻譜儀的研制中,我們通過模塊化集成實(shí)現(xiàn)了9像元、邊帶分離型超導(dǎo)混頻器.所謂模塊化集成,是保持單一像元結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立性,以單一像元作為構(gòu)造模塊,針對具體空間布局設(shè)計(jì)陣列拼接方案.在陣列中含有一些公共設(shè)施性質(zhì)的共用組件,以減少器件數(shù)量,降低復(fù)雜性提高了可維護(hù)性.例如在超導(dǎo)成像頻譜儀中,我們并沒有采用9路獨(dú)立的本振,而是讓所有像元共用一個本振參考信號源.通過波導(dǎo)元件拼接形成的本振分配網(wǎng)絡(luò)將單一本振信號分配到每個像元.

以9波束的超導(dǎo)成像頻譜儀為基礎(chǔ)發(fā)展更大規(guī)模的陣列需要進(jìn)行更高規(guī)格的“公共設(shè)施建設(shè)”,進(jìn)一步降低復(fù)雜性,減少機(jī)械和電氣的連接,以實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定、容易維護(hù)的大規(guī)模陣列.的確,增加共用組件意味著減少獨(dú)立調(diào)節(jié)的自由度,對器件的一致性有更高的要求.其可行性是由不斷提高的超導(dǎo)器件制備和機(jī)械加工的精度保障的.另一方面,為了提高可靠性和集成度,一個必然的趨勢是用平面微波毫米波電路代替金屬波導(dǎo)電路,類似于用大規(guī)模集成電路替代分立器件電路的變革.與低頻數(shù)字電路中集成大量半導(dǎo)體晶體管不同,用于射電天文接收機(jī)的毫米波、亞毫米波集成電路使用超導(dǎo)平面?zhèn)鬏斁€構(gòu)成的分布器件以及基于超導(dǎo)隧道結(jié)的探測器.這個技術(shù)目前正處于快速發(fā)展的階段.

4.2 混合平面集成技術(shù)的4個要素

混合平面集成技術(shù)包含以下4個要素.(1)分層構(gòu)造.將接收機(jī)前端按照功能分為多個構(gòu)造層(饋源天線層、本振分配層、混頻器層、低噪聲放大器層等),每個構(gòu)造層作為一個整體容納所有的像元.各個層內(nèi)部是二維或者準(zhǔn)二維的電路結(jié)構(gòu).這就是“混合平面集成”這一名稱的含義.分層構(gòu)造與上一代多波束按照單一像元模塊縱向剖分的形式相比,將構(gòu)造模塊的數(shù)量從與像元的數(shù)量成正比減少到功能層的數(shù)量,通常為3到4層.所需要的模塊之間的機(jī)械和電氣連接大幅減少;(2)超導(dǎo)體單片集成電路.超導(dǎo)單片集成電路在這里具體地指采用平面超導(dǎo)傳輸線(例如超導(dǎo)微帶線或者超導(dǎo)共面波導(dǎo))來實(shí)現(xiàn)原有技術(shù)中使用金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的功能,并將這些功能元件與超導(dǎo)混頻器一起集成在一個硅基片上構(gòu)成一個片上系統(tǒng)(system on chip).使用超導(dǎo)單片集成電路能夠?qū)⒃瓉斫饘俨▽?dǎo)構(gòu)成的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)變成一個平面結(jié)構(gòu),消除了其中所需要的機(jī)械和電氣接口,提高了集成度.此外,由于超導(dǎo)薄膜光刻工藝的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械加工的精度,電路系統(tǒng)的整體性能也相應(yīng)提升.特別需要指出的是,在超導(dǎo)混頻技術(shù)中,這是一個重要的改變.以往的超導(dǎo)混頻器芯片大多是制備在介電常數(shù)較小的石英基片(εr≈4)上,切割成細(xì)長的探針.這種形式是金屬波導(dǎo)內(nèi)信號耦合方式所要求的.由于芯片尺寸狹窄,僅僅能容納非常簡單的電路.相比之下,大尺寸的硅基片可以容納復(fù)雜的電路系統(tǒng).而允許使用介電常數(shù)高的硅基片(εr≈12)需要改變原先的信號耦合方式.這個新的方式正是下一個技術(shù)要素的內(nèi)容;(3)平面型正交模耦合器(Ortho-Mode Transducer,OMT).平面型正交模耦合器由一對正交放置的極化敏感平面天線構(gòu)成.要使平面天線能夠從波導(dǎo)中高效率地耦合信號而又不破壞承載平面天線的集成電路的完整性,需要將承載平面天線的那一部分基片從背面減薄到數(shù)微米,形成一個懸置的薄片(membrane).這種在硅基片上進(jìn)行局部減薄的技術(shù)使得硅的高介電常數(shù)不再成為阻礙其應(yīng)用的原因,使平面天線的性能達(dá)到或超過原有探針耦合方式;(4)準(zhǔn)平面金屬波導(dǎo)本振分配網(wǎng)絡(luò).上一代多波束接收機(jī)中使用的金屬波導(dǎo)分配網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出低損耗和均勻的分配性能.在新一代多波束中,這個波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)被嵌入到一個獨(dú)立且完整的結(jié)構(gòu)層中并在一個平面內(nèi)進(jìn)行功率分布.之所以稱為“準(zhǔn)平面”是因?yàn)?雖然電路在同一個平面延伸,但金屬波導(dǎo)本身是一個具有高度維度的金屬管道.本振信號在準(zhǔn)二維網(wǎng)絡(luò)的各個輸出端通過直角波導(dǎo)轉(zhuǎn)折導(dǎo)入下面的超導(dǎo)混頻器層.這個波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)可以通過常規(guī)的高精度機(jī)械加工制備.

4.3 4像元可行性驗(yàn)證樣機(jī)

包含上述4個要素的混合平面集成技術(shù)的可行性已經(jīng)由一個2毫米頻段(126–163 GHz)、4波束的接收機(jī)前端實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證[48].該樣機(jī)中4個波紋喇叭天線緊密排列,混頻器采用單片集成電路,在平面電路中實(shí)現(xiàn)雙極化接收和平衡混頻.平衡混頻的電路結(jié)構(gòu)與邊帶分離基本一致,稍加修改就可以變成邊帶分離混頻.該樣機(jī)的分解結(jié)構(gòu)圖和集成電路實(shí)物照片見圖2.圖中OMT是正交模耦合器,F-pol和B-pol分別表示“前向”和“后向”信號成份,從分解圖可以清楚看到其分層結(jié)構(gòu)、本振分配網(wǎng)絡(luò)和4個獨(dú)立的超導(dǎo)集成電路芯片.從集成電路的照片中可以看到平面正交模耦合器.

可行性樣機(jī)的測試性能與預(yù)期相符.在126–163 GHz的工作頻段內(nèi),兩個線性極化的交叉極化小于?20 dB,接收機(jī)噪聲大約為40 K,且基本與頻率無關(guān).衡量電路平衡性的噪聲抑制比(相當(dāng)于邊帶分離混頻器的邊帶分離度)在4–8 GHz的中頻頻帶內(nèi)優(yōu)于15 dB.實(shí)驗(yàn)證明,雖然實(shí)施了高密度集成,但并沒有明顯影響單個像元的性能,且像元之間的隔離度達(dá)到?30 dB.這個多波束前端僅有一個本振輸入波導(dǎo)端口,本振在模塊內(nèi)部通過樹形結(jié)構(gòu)的本振分配波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分配,通過測量各個像元的超導(dǎo)混頻器的IV特性曲線,證實(shí)了本振的均勻分布性能.

4.4 運(yùn)用完美二叉樹子陣來拼接成更大像元陣列

上述4像元的驗(yàn)證原型充分考慮了將其拓展到更大規(guī)模陣列的可行性.考慮到陣列中像元性能的一致性和維護(hù)成本,我們提議用若干個完全相同的子陣列模塊來拼接成一個大陣列.同時,拼接過程中我們希望由同一個本振源來提供各個像元的本振需求.經(jīng)過分析,擬采用完美二叉樹形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)本振分配網(wǎng)絡(luò),這意味著像元數(shù)取2n,(例如4、8、16、32、64等像元數(shù))容易實(shí)現(xiàn)規(guī)則的設(shè)計(jì).基于這樣的考慮,一個由3個32像元(96像元)的接收機(jī)前端的例子見圖3.右方的示意圖顯示了其中一個32像元模塊的內(nèi)嵌二叉樹本振分配網(wǎng)絡(luò).32像元模塊可以看成是上述原型驗(yàn)證機(jī)所驗(yàn)證的2×2子陣列的2級陣列.圖中強(qiáng)調(diào)了這樣的一個子單元并提供了驗(yàn)證模型的實(shí)物照片.用二叉樹子陣來完成拼接的優(yōu)點(diǎn)是模塊化程度高便于加工、本振結(jié)構(gòu)簡單、陣列的可擴(kuò)展性強(qiáng).

圖2 2毫米波段4像元可行性驗(yàn)證樣機(jī)的分解結(jié)構(gòu)圖和MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片的實(shí)物照片(經(jīng)IEEE允許重印)[48]Fig.2 Exploded view of 2 mm-band 4-beam prototype receiver frontend and its photo of MMIC chip(reused with permission from IEEE)[48]

圖3 96像元超導(dǎo)接收機(jī)前端的概念設(shè)計(jì)外觀(左圖)和本振分配方案(右圖).其中的2×2子陣列與驗(yàn)證原型機(jī)基本相同.Fig.3 Conceptual illustration of a 96-pixel superconducting receiver frontend.The LO distribution network is illustrated in the schematic on the right.The prototype 2×2 receiver shown on the left is essentially a minimum sub-array.

這個96像元的接收機(jī)前端將能夠覆蓋85–116 GHz的信號頻率,同時接收雙極化信號以及實(shí)現(xiàn)上下邊帶分離等功能.假設(shè)采用超導(dǎo)成像頻譜儀的波紋喇叭天線設(shè)計(jì)(開口直徑約30 mm),則整個前端的橫向尺寸大約為240 mm×360 mm.

4.5 實(shí)現(xiàn)100像元陣列系統(tǒng)的其他技術(shù)要點(diǎn)

基于當(dāng)前的超導(dǎo)接收機(jī)技術(shù),已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)下一代接收機(jī)在靈敏度(接收機(jī)的噪聲低于觀測臺站大氣噪聲,約為若干倍量子極限)、射頻工作頻段85–116 GHz和中頻帶寬8 GHz的要求.上述的混合平面集成方案有望解決100像元規(guī)模的前端的集成問題.此外對于接收機(jī)前端,還有以下兩點(diǎn)值得說明.(1)低溫低噪聲放大器.低溫低噪聲放大器因?yàn)樾屡d的商業(yè)應(yīng)用(量子計(jì)算等)在近些年得到快速的發(fā)展.使用InP的HEMT MMIC商用放大器能夠覆蓋下一代多波束接收機(jī)所需要的7–15 GHz的中頻(例如Low Noise Factory LNF-LNC4-16),帶內(nèi)的噪聲大約為3 K.然而,因?yàn)閱蝹€MMIC的功率的典型值為10–20 mW,大量的放大器集成于前端模塊內(nèi)時放熱很可觀.如果制冷機(jī)的制冷功率不足以抵償放大器放熱,將造成接收機(jī)升溫,影響超導(dǎo)混頻器性能.近期對于減小放大器功耗的研究已經(jīng)有一些進(jìn)展.例如通過設(shè)計(jì)低功率偏置下的噪聲阻抗匹配、針對特定應(yīng)用進(jìn)行MMIC的優(yōu)化,已經(jīng)能夠?qū)⒐β式档鸵粋€量級[49];(2)中頻信號的傳輸和饋出.對于100像元雙極化、邊帶分離的接收機(jī)將有400個中頻通道.柔性的微帶線排線可以用于將大量的中頻通道以低傳熱的方式在各級冷級之間進(jìn)行傳輸并導(dǎo)出到制冷系統(tǒng)之外進(jìn)行處理.目前已經(jīng)成功開發(fā)了一些基于聚酯塑料的多層金屬膜結(jié)構(gòu)的原型器件,展示出較好的通道間隔離度、傳輸特性和隔熱特性[50].

基于高速ADC(Analogue to Digital Converter)和高性能FPGA(Field Programmable Gate Arrays)的模塊化FFT數(shù)字頻譜已經(jīng)成為射電頻譜分析的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)[51].從上一代多波束中應(yīng)用1 GHz帶寬數(shù)字頻譜儀起步,現(xiàn)在FFT數(shù)字頻譜已經(jīng)成為相對成熟的技術(shù)[52].2009年以來,我們繼續(xù)與上海迅析電子科技有限公司團(tuán)隊(duì)合作,先后研制了2 GHz、4 GHz和5 GHz帶寬FFT頻譜系統(tǒng),不僅在技術(shù)上有持續(xù)的積累,同時還提供了系列化的硬件產(chǎn)品.這些技術(shù)和產(chǎn)品為新一代多波束接收系統(tǒng)所需要的寬帶頻譜提供了選擇.

5 討論

隨著毫米波段單個混頻器的噪聲接近量子極限,使得對單個波束噪聲的降低努力也趨于極限.這種情形下,增加巡天的靈敏度的主要方式是增加積分時間.而在積分時間與巡天覆蓋速率的共軛關(guān)系下,本文提出增加波束數(shù)量、增加帶寬(接收的譜線數(shù)目)以及增加偏振成份等措施就成為提升巡天整體靈敏度及巡天速率的主要途徑.以100像元為參考,即使每個像元的靈敏度與現(xiàn)有系統(tǒng)持平,則波束規(guī)模、偏振量的增加以及瞬時帶寬的增加,使得系統(tǒng)的頻譜接收能力比現(xiàn)有系統(tǒng)提升178倍.即便我們僅僅考慮表1中的譜線,信號接收能力預(yù)計(jì)也能提高89倍.而進(jìn)一步聚焦到對CO多譜線的巡天而言,覆蓋的速率可提升22倍.

對多波束接收系統(tǒng)而言,系統(tǒng)的整體造價隨著波束的增加而增加.一個有參考價值的指標(biāo)是單位波束的造價.Hill給出一個多波束系統(tǒng)的造價P與波束數(shù)目M之間有冪律關(guān)系P∝Mα,α=0.5–1[53].隨著混頻器、低噪聲放大器、頻譜模塊等主要部件的單價下降和批量增加,單位波束的造價將隨著時間逐漸下降.對一個400個中頻信號通道的系統(tǒng)而言,其造價能夠控制在一個可以接受的范圍內(nèi),或者根據(jù)投資能力逐步到位.需要指出的是,隨著波束規(guī)模的擴(kuò)大,毫米波接收系統(tǒng)的性價比乃至整個望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的性價比將得到更為顯著的提升.

更大規(guī)模的多波束系統(tǒng)當(dāng)然也會給未來的觀測應(yīng)用提出一些新的問題.例如,在目前的多波束觀測應(yīng)用中,OTF的觀測方式需要一片干凈、無發(fā)射污染的參考背景,也就是通常所說的off點(diǎn).視場的擴(kuò)大導(dǎo)致參考背景的選取難度增加.如果不準(zhǔn)備記錄寬帶連續(xù)譜信息,一個可參考的方案是采用頻率調(diào)制的模式,在頻率空間扣除帶通背景,得到凈的譜線發(fā)射.關(guān)于頻率調(diào)制方法,最近一個改進(jìn)的例子是FMLO(Frequency-Modulating Local Oscillator)[54].

由于高分辨頻譜觀測的科學(xué)需求,未來的地面大型毫米波亞毫米波設(shè)備需要配備高頻譜分辨的超外差終端.隨著天線口徑的擴(kuò)大以及工作頻率的提高,波束寬度(～λ/D,λ、D分別為工作波長和望遠(yuǎn)鏡口徑)將隨之不斷變小,導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡的視場狹窄.對追求大視場的大型單天線而言,一個直接的需求就是大規(guī)模多波束終端.這類終端對那些有一定張角的近鄰星系的深度觀測尤為必要.本設(shè)計(jì)在作為現(xiàn)有設(shè)備終端升級的同時,也可以為未來的終端提供解決方案.

6 總結(jié)與展望

歸納了銀河系分子巡天研究領(lǐng)域的幾個重要科學(xué)目標(biāo),包括CO弱發(fā)射區(qū)的深度巡天、分子云內(nèi)部結(jié)構(gòu)的眾多譜線探針成像、大尺度氣體分布與物質(zhì)循環(huán)探查等.研究這些前沿科學(xué)問題需要探測能力更強(qiáng)的多波束接收系統(tǒng).新一代多波束接收系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備更廣、更深光譜成像以及更多譜線信息的接收能力.在繼承上一代邊帶分離型多波束接收技術(shù)的基礎(chǔ)上,給出一套概念設(shè)計(jì),瞄準(zhǔn)了100波束的規(guī)模,運(yùn)用了雙偏振邊帶分離接收、超導(dǎo)混頻器集成電路、8 GHz帶寬頻譜分析等新技術(shù).該接收系統(tǒng)將提供變革性的探測能力,大幅度拓展毫米波巡天的視場、顯著提高巡天的靈敏度及譜線接收的信息量.基于毫米波多波束接收領(lǐng)域的最新發(fā)展和原型研發(fā)實(shí)驗(yàn),這樣的系統(tǒng)是完全可以實(shí)現(xiàn)的.從單波束單譜線到多譜線多波束,再繼續(xù)發(fā)展到眾多譜線和眾多波束;從單一偏振到雙偏振的探測,毫米波接收機(jī)的發(fā)展有了一個新的目標(biāo).該接收機(jī)的研發(fā)不僅為新一輪突破性的科學(xué)巡天提供可能,也可以成為未來大型地面設(shè)備的先導(dǎo)終端.

致謝作者感謝銀河畫卷團(tuán)隊(duì)關(guān)于科學(xué)目標(biāo)的若干討論.感謝左營喜分享了有關(guān)天線光學(xué)的內(nèi)部報告.本文討論的設(shè)想分別在2016年9月于大理召開的恒星形成研討會、2019年11月于南京召開的20th Workshop on Submillimeter-wave Receiver in Eastern Asia等場合做過交流,特感謝同行們的有益討論.感謝孫繼先協(xié)助繪制圖1.