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中日韩组“超级望远镜”阵列:聚焦致密天体、超大黑洞、深空探测

撰文 | 左文文  安    涛(上海天文台)

责编 | 叶水送

多年来,东亚甚长基线干涉射电望远镜网络(East Asia Very long baseline Network; EAVN)稳步组建发展。EAVN由来自中国、日本和韩国的21台射电望远镜组成,组成的望远镜阵列的分辨率等效于口径达5000千米的超级望远镜,与各国独立运行的VLBI网相比,EAVN使得天文学家们能以更高的角分辨率、更高的灵敏度探索更遥远的宇宙,提供了更精确的卫星轨道跟踪。目前EAVN已开始试观测,不久将能常规运行观测,将向全球天文学家开放征集观测申请。

近日,来自中国科学院上海天文台的安涛研究员应邀以第一作者兼通讯作者的身份在Nature Astronomy上发表了一篇标题为《东亚甚长基线干涉观测网的性能和前景》(Capabilities and Prospects of the East Asia Very Long Baseline Interferometry Network)的综述文章,着重回顾了东亚VLBI网的建设历程,阐述了当前现状和观测性能,总结了早期的科学成果和将来的发展计划。该论文的第二和第三作者分别为来自韩国天文和空间科学研究所的B. W. Sohn以及来自日本鹿儿岛大学的H. Imai。该工作一定程度上,表明中国在VLBI天文研究领域的建设和发展得到国际同行的高度认可。

 

你可能还在疑问,EAVN具体指什么?它是如何诞生的?中国在EAVN的诞生与发展过程中做出了哪些贡献?EAVN具体能带来哪些科学领域的进展呢?那么就请随笔者一起来认识EAVN吧。

 

射电波也是光

 

光,即电磁波,为天文学家呈现了宇宙奥秘的重要信息。光不仅仅指我们肉眼所能见到的可见光,还包括比可见光波长更短的紫外线、X射线和伽玛射线,以及比可见光波长更长的红外光、射电波(Radio,或无线电波)。这些不同波长的光呈现了宇宙或天体的不同物理性质,综合起来就能拼出一幅更完整的图像。

 

20世纪50年代以来,二战期间发展的雷达技术应用到天文观测中,带来了射电天文学的迅速发展,也带来了20世纪60年代的四大天文发现——类星体、脉冲星、宇宙微波背景辐射和星际有机分子。

 

 

提升望远镜的分辨率

 

衡量望远镜性能的两个主要参数:角分辨率——表征分辨得清多小的区域,灵敏度——表征能看到多暗弱的天体。前者与望远镜的有效口径有关,有效口径越大,望远镜的分辨率越高,能看到更精细的天体结构;后者与望远镜接收到光的面积有关,一般来说,有效口径越大,望远镜接收到光的面积也就越大,灵敏度也就越高,就能看到更暗弱的天体。

 

最近十年,中国一批超大型望远镜相继建成和投入运行,中国射电天文的成就令世人瞩目。中国500米口径球面射电望远镜(FAST)是全球最大单口径射电天文望远镜,而上海65米射电望远镜(天马望远镜)是亚洲最大的全方位可动的射电望远镜,刚刚立项的新疆奇台110米望远镜建成后,将是全球最大的全方位可动射电望远镜。然而,天文学家对高分辨率的渴求,并没有止步于大型单口径望远镜。在已有射电望远镜的基础之上,借助1962年英国科学家马丁•赖尔提出的综合孔径技术,便可以加大望远镜的有效口径,将分辨率提高到角秒量级(1角秒指三千六百分之一度,月亮满月时的张角大约是1800角秒)

 

所谓甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry; VLBI)技术,就是当相隔两地的两架射电望远镜同时观测来自同一天体的射电波,根据各自独立的时间标准,将天体的射电波记录下来,然后再将这两个记录一起送入处理机进行相关处理,获取相同的信号到达两个望远镜的时刻差(时延)以及时延随着时间的变化快慢(时延率);综合两个望远镜的位置信息、信号的强度以及上述两个参数——时延、时延率,就可以对该天体的射电辐射强度和位置进行分析。射电干涉技术的成功实施使得望远镜阵列的角分辨率相较于单独每架望远镜更高,灵敏度也更高。或者说,这两架望远镜采取这种观测方式,达到的观测效果就好像组成了一个等效的大望远镜,其分辨率相当于一架口径等于两架望远镜之间的距离(即基线长度)的超大望远镜。

 

甚长基线干涉测量网络,便是利用这一技术,让处于不同地理位置的多个射电望远镜联合起来,组成一个望远镜观测网络,同时对一个天体进行观测,VLBI的角分辨率由望远镜间最大间距(最长基线)决定,相当于一个口径为几千千米的超级望远镜,从而在综合孔径阵的基础上把分辨率再提升了3个量级以上。

EAVN网络有来自中日韩21架射电望远镜

 

EAVN包含了东亚·地区大部分的VLBI台站和数据处理中心:中国的VLBI网络(CVN)、日本的VLBI网络(JVN)、日本的射电天体测量VLBI网(VERA)、韩国的VLBI网络以及分别位于中国上海、韩国大田和日本水泽的数据相关处理中心。

 

目前,EAVN网络共有21架射电望远镜,彼此之间的距离(基线长度)最长5000千米,从位于中国西北的乌鲁木齐到日本东南的小笠原群岛,从日本东北的水泽到中国西南的昆明,这些望远镜口径在11米至500米之间,观测的波段在2.3 GHz(十亿赫兹)到43 GHz之间。在22GHz这个观测频率上,EAVN的最高分辨率能达到0.5毫角秒。未来更多的望远镜,如正在建设的新疆110米射电望远镜和正在筹建的泰国VLBI网络、格陵兰岛的12米望远镜等将来也会加入EAVN,韩国和日本的毫米波望远镜也会升级设备,提高性能。未来EAVN将成为国际上一个非常重要的VLBI网络。

 

中国的VLBI网络最早由叶叔华院士于20世纪70年代提出,在她的主持下,第一架射电望远镜——佘山25米望远镜于1987年建成并开始运行。目前,中国的VLBI网络包括5架射电望远镜和位于上海的相关处理中心,常规观测波段是2.3 GHz和8.4 GHz。中国的VLBI网络曾主要用于深空探测,近年来也拓展至天体物理的应用研究。网络中的一些望远镜,如佘山25米望远镜、天马65米射电望远镜和乌鲁木齐26米望远镜本身能在更宽的频率波段工作,因此还参加了国际上其它的VLBI网络。FAST 500米望远镜一旦完成了VLBI观测系统的调试,也将加入中国的VLBI网络和EAVN,极大地提升它们的探测能力。

 

2009年5月,位于中国上海、韩国延世、日本水泽的多架射电望远镜对准同一天体,留下了EAVN的第一组数据。自此之后,开展了一系列观测,最多的时候联合16架望远镜在8.4GHz和22GHz开展了试观测。2017年在6.7GHz、22GHz和43GHz执行了最终的性能测试。2018年,还将继续拓展到2.3GHz和8.4GHz。首批科学观测也将于近期执行。

 

EAVN将由东亚核心天文台联盟管理,观测将由专业的支持团队执行。EAVN的先导望远镜 – 由KVN和VERA组成的KaVA阵列 – 已经完成了一些活动星系核、脉泽等方面的科学实验并发表了相关成果,为EAVN未来的科学运行和操作管理积累了宝贵的经验。

 

EAVN关注的领域:致密天体、超大黑洞、深空探测

EAVN的核心科学研究领域将集中在致密天体的高分辨率(毫角秒或亚毫角秒量级)观测。这些致密天体就包括类星体(正在吞噬物质的超大黑洞)、黑洞、星际和恒星周围的脉泽、脉冲星;通过精确确定它们的位置,可以应用于天体测量学和测地学研究。实际上,EAVN在运作时,能根据科学观测目标的需求,灵活地配置子阵列和选择观测频率来工作,达到多个频率探测窗口、多种角分辨率和天体不同尺度的空间覆盖范围等研究需求。

 

类星体中心的超大黑洞是如何吞噬周围的物质的?喷流中的磁场结构如何?产生的喷流结构如何?如何产生喷流?VLBI技术带来的高分辨率和高灵敏度,可以为解答这些问题提供关键线索。这也是EAVN重点关注的领域之一。

 

类似于激光是在光学波段的一种受激发射,脉泽是在微波波段的一种受激发射。目前已经探测到多种天体脉泽分子,如OH脉泽、水脉泽(H2O)、甲醇脉泽(CH3OH)和氧化硅(Si0)等。脉泽普遍存在于宇宙中的各类天体环境中,致密而且亮。在银河系中,脉泽一般与正在形成恒星的区域、恒星演化晚期的环星包层以及超新星遗迹等成协。因此,脉泽可以用来示踪辐射源的物理性质和化学环境等,特别是借助VLBI技术能很好地分辨出脉泽的位置,确定脉泽到我们的距离,从而很好地限制研究脉泽附近的物理性质和环境,为恒星形成与演化等提供更多的信息。EAVN将发挥它的特长,在该领域大展身手。

 

第三个领域是深空探测。一个代表性的成功案例当属中国的VLBI网络在中国探月工程上的应用,几乎实时收集数据、处理数据,提供航天器的位置,相对位置的精度能达到1米量级。未来,EVAN将继续在深空探测任务方面(如火星探测等)发挥才能。

 

超新星、伽玛射线暴属于宇宙中最高能的事件,获取更多的样本将有助于对它们的物理研究。VLBI的精确定位使得它对这些天体的观测上占有不可取代的优势。VLBI确定天体的距离精度很高,单次观测对脉冲星的距离测量误差就能达到2%左右。EAVN也计划在这些领域开展一些项目。

 

对于测地学研究,VLBI技术在该领域已有长期积累并展露了它的优势——最高精度的天体参考架。EAVN的一些望远镜已参与了一些地区性和全球性的测地观测,为人类的生产和生活提供服务。

 

EAVN的未来应用前景

 

随着更多射电望远镜的建设和加入,随着数据处理能力的提升,EAVN的能力将更加提高,在科学和技术上会有更多产出。可以说,稳步发展的EAVN不仅综合了望远镜观测和数据处理资源、为迅速发展的东亚天文学家提供了高水平的VLBI网络,而且加强了区域间科学合作,使得科学产出和技术发展得以最大化。

 

相关文章

An T et al. Capabilities and prospects of the East Asia Very Long Baseline Interferometry Network. Nature Astronomy, 2018. doi:10.1038/s41550-017-0277-z.

https://www.nature.com/articles/s41550-017-0277-z



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