上海天文台在毫米波VLBI前沿領域取得新進展

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

  

  近日,中科院上海天文台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,並高精度測定了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》。 

  甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术通过将相距遥远的射电望远镜用相干干涉的方法连接,从而获得等效于一个超大口径射电望远镜的分辨本领,因此,VLBI技术在深空探测器测定轨任务和著名的黑洞成像等天文观测中有广泛运用。VLBI观测波长越短、望远镜台站间的距离越长,所获得的分辨率就越高。为了追求超高分辨率,天文学家不仅尽量延长基线,也将工作波长从厘米波发展到更短的毫米波和亚毫米波。然而,观测波长越短,信号传播过程中受大气等的影响就越大,同时也因为对望远镜工艺更高要求使得灵敏度下降,毫米波VLBI观测面临诸多挑战。 

  研究人员在本项目中运用了毫米波VLBI前沿技术——“源频相位参考技术”——将工作频率提升到传统相位参考技术无法企及的3毫米波段,也因此获得更多观测量和更高的测量精度,充分体现了这种毫米波VLBI新技术的优势和潜力。“源频相位参考”就是在传统相位参考只做目标源和参考源切换的基础上增加了快速频率切换或者多频同时接收,这样可以通过频率相位的差分抵消大部分大气等误差源的影响,从而增加相干积分累加时间,提高毫米波VLBI观测的灵敏度。事实上,这项VLBI前沿技术代表了该领域的一个发展趋势,从韩国的VLBI网到下一代事件视界望远镜(next generation Event Horizon Telescope,ngEHT),再到俄罗斯的空间毫米波VLBI卫星计划,都在设计部署这种技术。 

  这项技术带来的好处显而易见,比如这次研究工作就解答了关于M87黑洞位置的疑问。2019年4月,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)捕获到的首张室女座星系M87中央超大质量黑洞照片面世,2021年3月至4月M87黑洞的偏振图像和多波段观测成果又先后公布,使得人类对这个超大质量黑洞的认识越发清晰。但与此同时,M87黑洞到底在空间哪个位置、多波段观测到的图像和黑洞有什么联系等问题仍不得而知。 

  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噴流核心的上遊46微角秒(投影距離約爲1100億公裏)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複驗證,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。”論文第一作者江悟副研究員說。 

  论文合作者、上海天文台沈志强研究员表示,“目前,上海天文台的天马望远镜也正在部署这种多频同时接收系统,建成后将会和东亚以及欧美等台站构成一个多频同时接收VLBI网络,在高频观测效率和多频同时观测科学研究等方向上具有广阔的应用前景。”  

  除了獲得M87黑洞精確定位,此項研究還在3毫米波段探測到約爲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作爲和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台,jiangwu@shao.ac.cn  

  沈志强,中國科學院上海天文台,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