寬視場VLBI研究進展

商丘師范學院物理與電氣信息學院　曹洪敏

寬視場VLBI研究進展

商丘師范學院物理與電氣信息學院曹洪敏

摘要：多相位中心技術是一種新穎的數據相關方法，利用該技術，通過一次相關便可得到主波束內所有目標源的可見度數據，從而使VLBI的視場擴大到主波束尺寸。該技術的出現得益于近幾年VLBI軟件相關處理機的發展。本文介紹了多相位中心技術的實現方法和利用該技術所開展的幾個VLBI巡天。該技術將有廣闊的應用前景。

關鍵詞：多相位中心；VLBI；視場；巡天

中圖分類號：O59

文獻標識碼：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,進行天體測量和天體物理研究的技術方法。發展VLBI的動機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構。世界范圍內主要的兩個VLBI網是：美國的甚長基線干涉陣（VLBA）和歐洲VLBI網（EVN)。VLBI自1967誕生以來,一直在不斷的發展當中。隨著信號采樣速率和數據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,據此人們發展了空間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]。若要觀測暫現源,VLBI需具有快速響應能力,據此人們發展了e-VLBI[3]。

在mJy/sub-mJy水平,天空中的射電源面密度明顯增加,射電望遠鏡的主波束以內將包括幾十甚至數百個射電源。傳統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。近幾年出現的”多相位中心技術“[4],是寬視場VLBI的一種解決方案。

二、多相位中心技術的實現方法

VLBI的數據相關是按時間順序,一個掃描接一個掃描進行,通常一個掃描對應一個源（以相位參考觀測為例,天線在目標源和校準源之間交替掃描,在厘米波,一次掃描的時間約幾分鐘）。相關時,兩個天線對應偏振對應基帶數據進行相關。

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）,視場內散布著許多目標源（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場。當數據相關到目標場時,如果采用傳統的相關方法,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到主波束尺寸,雖然技術上是可行的,然而這樣將產生很大的可見度數據以致很難進行后期的數據校準,科學分析。

考慮到在主波束之內,只有包圍各個目標源的許多小片區域有實在意義,剩余的部分對VLBI來說僅是空場,多相位中心技術采用了一種新穎的相關方法[4]：

先以足夠高的時間、頻率分辨率對數據進行相關,使視場達到整個主波束。

將相位中心移到某個目標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,并將該相位差應用到可見度數據來實現相位中心的轉移。

如果視場內有N個源,則重復第二步N次。

重復前三步,當時間累計到一定程度,將數據做時間的平均（可用通常的積分時間）。

三、目前已開展的幾個寬視場VLBI實驗

寬視場觀測已經陸續的開展。截至目前,利用多相位中心技術已經開展或正在開展的寬視場VLBI實驗總共有5個：

（1）Middelberg等人[5]首先采用該技術在著名的天區Chandra南深場,利用美國的VLBA開展了一次寬視場VLBI實驗。目的是證認目標場中的活動星系核（AGN）,以及對該技術進行測試。實驗的成功證明了采用該技術情況下, VLBI認證AGN的能力。

（2）為了證認AGN和探索巡天面積進一步擴大后的數據校準方法, Middelberg等人[6]在Lockman Hole場東區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,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的可行性。

（4）Deller & Middelberg[8]利用VLBA,采用同波束相位參考,圍繞強的校準源開展了較大規模的VLBI巡天(mJIVE-20),目標源為目標天區內的VLA FIRST天體；巡天發現射電源越弱,致密比（VLBI恢復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,因而有更大的機會看到噴流的核。目前該項目仍在進行中。

（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,隨著流量密度的降低,源的數密度逐漸增高,在mJy/sub-mJy水平,射電源的數密度明顯增加,尤其是深的射電巡天,望遠鏡主波束內的射電源數目可達上百個。如果“一次可以觀測”數百個源,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”的陸續開展[10],匹配的VLBI巡天將是不可避免的。巡天的數據可以用來研究許多天體物理和宇宙學的基本問題。比如,比較延展的核噴流結構,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。可用來作宇宙學測試的“射電標準天體”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的觀測還可以發現和研究遮蔽的AGN。對具有光學對應體的射電源而言,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參考系的對接。

參考文獻：

[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,所獲學歷：研究生,博士,目前從事的工作：商丘師范學院教師,研究方向：射電天文。