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            上海天文臺在毫米波VLBI前沿領域取得新進展

            文章來源:上海天文臺  |  發布時間:2021-11-22  |  【打印】 【關閉

              

              近日,中科院上海天文臺研究人員利用毫米波VLBI前沿技術,首次獲得一顆暗弱射電源M84在3毫米波段的高分辨率圖像,并高精度測定了M87黑洞的空間位置。相關研究成果發表于《天體物理學雜志通訊》。 

              甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技術通過將相距遙遠的射電望遠鏡用相干干涉的方法連接,從而獲得等效于一個超大口徑射電望遠鏡的分辨本領,因此,VLBI技術在深空探測器測定軌任務和著名的黑洞成像等天文觀測中有廣泛運用。VLBI觀測波長越短、望遠鏡臺站間的距離越長,所獲得的分辨率就越高。為了追求超高分辨率,天文學家不僅盡量延長基線,也將工作波長從厘米波發展到更短的毫米波和亞毫米波。然而,觀測波長越短,信號傳播過程中受大氣等的影響就越大,同時也因為對望遠鏡工藝更高要求使得靈敏度下降,毫米波VLBI觀測面臨諸多挑戰。 

              研究人員在本項目中運用了毫米波VLBI前沿技術——“源頻相位參考技術”——將工作頻率提升到傳統相位參考技術無法企及的3毫米波段,也因此獲得更多觀測量和更高的測量精度,充分體現了這種毫米波VLBI新技術的優勢和潛力?!霸搭l相位參考”就是在傳統相位參考只做目標源和參考源切換的基礎上增加了快速頻率切換或者多頻同時接收,這樣可以通過頻率相位的差分抵消大部分大氣等誤差源的影響,從而增加相干積分累加時間,提高毫米波VLBI觀測的靈敏度。事實上,這項VLBI前沿技術代表了該領域的一個發展趨勢,從韓國的VLBI網到下一代事件視界望遠鏡(next generation Event Horizon Telescope,ngEHT),再到俄羅斯的空間毫米波VLBI衛星計劃,都在設計部署這種技術。 

              這項技術帶來的好處顯而易見,比如這次研究工作就解答了關于M87黑洞位置的疑問。2019年4月,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)捕獲到的首張室女座星系M87中央超大質量黑洞照片面世,2021年3月至4月M87黑洞的偏振圖像和多波段觀測成果又先后公布,使得人類對這個超大質量黑洞的認識越發清晰。但與此同時,M87黑洞到底在空間哪個位置、多波段觀測到的圖像和黑洞有什么聯系等問題仍不得而知。 

              研究人員運用這項技術方法,成功克服了常規毫米波VLBI觀測受到的大氣抖動劇烈、靈敏度不足等局限,高精度地測定了M87黑洞是在位于其43GHz噴流核心的上游46微角秒(投影距離約為1100億公里)處(如下圖左上角子圖)。 

              “我們是在國際上首次將源頻相位參考技術成功用于暗弱的低光度活動星系核的科學觀測研究,包括之前的M81,這次的M84和M87,經過對多個科學目標的重復驗證,證明了這項新技術的獨特優勢和將其運用于天文觀測與研究的可行性?!闭撐牡谝蛔髡呓蚋毖芯繂T說。 

              論文合作者、上海天文臺沈志強研究員表示,“目前,上海天文臺的天馬望遠鏡也正在部署這種多頻同時接收系統,建成后將會和東亞以及歐美等臺站構成一個多頻同時接收VLBI網絡,在高頻觀測效率和多頻同時觀測科學研究等方向上具有廣闊的應用前景?!? 

              除了獲得M87黑洞精確定位,此項研究還在3毫米波段探測到約為4.8高斯的M87噴流核心區域磁場強度,這與EHT探測到的黑洞視界附近的磁場強度在同一量級,說明該區域已經非常接近黑洞視界。另外,此項研究還展現了毫米波VLBI新技術對暗弱源的探測本領,首次在3毫米波段獲得暗弱射電源M84(流量強度約幾十毫央斯基,強源一般至少有上千毫央斯基)的高分辨率圖像(圖1右下子圖)。M84作為和M87同樣處于室女星系群中成員,其超大質量黑洞陰影“視半徑”在已知黑洞中次于銀河系中心和M87黑洞,是ngEHT可探及的目標源。這次成功檢出對其流量和核區大小做了很好的約束,結果預測其在亞毫米波輻射仍相對較強,應可以被規劃中的高靈敏度ngEHT觀測和成圖。 

              本項工作得到國家自然科學基金和中科院前沿科學重點研究計劃(QYZDJ-SSW-SLH057)等資助。 

            源頻相位參考技術及此次M84和M87研究成果示意圖 

              科學聯系人: 

              江悟,中國科學院上海天文臺,jiangwu@shao.ac.cn  

              沈志強,中國科學院上海天文臺,zshen@shao.ac.cn  

              論文鏈接: 

              https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac375c 

              擴展閱讀: 

              https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aaa755 

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