中國(guó)天眼和中國(guó)VLBI網(wǎng)探路性脈沖星聯(lián)合觀測(cè)獲得成功

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家兄弟單位一起組織了中國(guó)天眼和中國(guó)VLBI網(wǎng)(CVN)的探路性脈沖星聯(lián)合觀測(cè)并獲得成功在獲得多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)又發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)亟待解決的問題。該研究成果近期發(fā)表于《Chinese Physics Letters》。
 

　　1974年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了射電干涉技術(shù)研究先驅(qū)馬丁•賴爾和脈沖星發(fā)現(xiàn)者安東尼•休伊什。基于射電干涉技術(shù)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(簡(jiǎn)稱：VLBI)是一項(xiàng)能夠?qū)⑾嗑喑汕先f(wàn)公里的多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡有機(jī)組成陣列的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)不僅可以提高觀測(cè)靈敏度，還可以提高分辨本領(lǐng)，是天文學(xué)研究獲得最高空間分辨率的重要手段。20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”之—的脈沖星是宇宙空間中一類能夠發(fā)射周期性脈沖信號(hào)的致密天體，其在極端條件物理規(guī)律研究、深空導(dǎo)航等多個(gè)領(lǐng)域有重要價(jià)值，從而獲得“空間物理實(shí)驗(yàn)室”、“宇宙導(dǎo)航燈塔”等美譽(yù)。
 

　　VLBI在脈沖星高精度測(cè)量以及星周環(huán)境探測(cè)等方面均具有重要價(jià)值。自上世紀(jì)70年代開始，天文學(xué)家便嘗試開展脈沖星的射電干涉觀測(cè)，但僅限于少數(shù)距離較近望遠(yuǎn)鏡組成的VLBI或者連線干涉儀，研究目標(biāo)也僅限于幾顆強(qiáng)脈沖星。因面臨多項(xiàng)難點(diǎn)，脈沖星VLBI觀測(cè)在今后的20多年中進(jìn)展緩慢。首先，脈沖星輻射和常規(guī)射電源差異較大，其信號(hào)為一系列強(qiáng)度比較弱的周期性脈沖，要成功對(duì)其觀測(cè)不僅需要高靈敏度設(shè)備還需要有效“捕捉”脈沖信號(hào)；其次，絕大多數(shù)脈沖星信號(hào)的流量隨頻率升高而迅速降低，其VLBI觀測(cè)需在相對(duì)低頻進(jìn)行，但會(huì)因電離層影響而嚴(yán)重降低觀測(cè)效果。直到上世紀(jì)90年代末，相對(duì)規(guī)模的脈沖星VLBI觀測(cè)才逐步開展起來取得了可觀的科學(xué)成果，如大型PSRΠ項(xiàng)目獲得了百余顆脈沖星不依賴任何模型的距離和速度測(cè)量、通過VLBI測(cè)量和脈沖星計(jì)時(shí)的有機(jī)結(jié)合成功認(rèn)證含有行星的三星系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)了亞毫角秒分辨率的星際閃爍成像觀測(cè)等。這些成果幾乎都是由美國(guó)VLBA(Very Long Baseline Array)等國(guó)際VLBI網(wǎng)取得的。但目前，國(guó)際VLBI網(wǎng)脈沖星觀測(cè)已經(jīng)逐步進(jìn)入了靈敏度瓶頸期。
 

　　由佘山25米、天馬65米、南山25米、昆明40米望遠(yuǎn)鏡以及上海數(shù)據(jù)處理中心組成的中國(guó)VLBI網(wǎng)(CVN)在月球、火星探測(cè)衛(wèi)星軌道精確測(cè)量方面發(fā)揮了重要作用。相比之下，該網(wǎng)在天體物理研究方面貢獻(xiàn)相對(duì)較少，僅進(jìn)行過屈指可數(shù)的試驗(yàn)性觀測(cè)。隨著上海天馬65米、中國(guó)天眼(FAST)500米的建成以及奇臺(tái)110米、景東120、樺甸120米等大型射電望遠(yuǎn)鏡的啟動(dòng)，將來納入這些望遠(yuǎn)鏡的CVN將會(huì)是國(guó)際上靈敏度最高的中低頻VLBI網(wǎng)。如何聯(lián)合國(guó)內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡開展天體物理研究，用好大型設(shè)施，顯得尤為重要。
 

　　通常普通脈沖星比毫秒脈沖星計(jì)時(shí)特性更不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)速度也更快，這對(duì)VLBI觀測(cè)數(shù)據(jù)脈沖星信號(hào)提取以及成圖搜索都提出更大的挑戰(zhàn)。為了更好地探索有關(guān)技術(shù)路線，研究者特意選擇了兩顆普通脈沖星B0919+06和B1133+16作為觀測(cè)目標(biāo)，于2023年4月11日聯(lián)合FAST(500米)、天馬(65米)、南山(26米)以及洛南(40米)正式執(zhí)行了探路性觀測(cè)(有效頻率范圍：1352−1480 MHz)。數(shù)據(jù)相關(guān)處理過程中采用了“數(shù)據(jù)分箱”(pulsar binning)技術(shù)“捕捉”脈沖星脈沖信號(hào)，該技術(shù)所需的脈沖星高精度星表由天馬望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)期計(jì)時(shí)監(jiān)測(cè)予以保障。研究者采用相位參考源條紋擬合以及美國(guó)航空局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)電離層模型等手段消除電離層影響，探索設(shè)置合適權(quán)重的方法來綜合保證觀測(cè)成圖靈敏度和分辨率。本次探路性觀測(cè)成功探測(cè)到脈沖星B0919+06和B1133+16，其高分辨率成圖結(jié)果如圖所示。
 

脈沖星B0919+06和B1133+16本次觀測(cè)成圖結(jié)果
 

　　在此基礎(chǔ)上，還測(cè)得觀測(cè)當(dāng)天它們的高精度坐標(biāo)：
 

　　兩顆脈沖星RA方向位置測(cè)量結(jié)果均優(yōu)于毫角秒，而DEC方向位置測(cè)量結(jié)果精度稍差，這是由于該方向的基線長(zhǎng)度相對(duì)較短。對(duì)比VLBI、連線干涉儀以及單天線計(jì)時(shí)歷史測(cè)量結(jié)果的預(yù)測(cè)值，研究者明確發(fā)現(xiàn)計(jì)時(shí)觀測(cè)很難精確擬合普通脈沖星的天體測(cè)量學(xué)參數(shù)，究其原因是其到達(dá)時(shí)間特性不穩(wěn)定，而干涉儀尤其是VLBI則可以對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量。
 

　　本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)中國(guó)天眼和CVN聯(lián)合觀測(cè)技術(shù)路線的有益嘗試和探索。研究者對(duì)參考源選取、觀測(cè)模式設(shè)置、數(shù)據(jù)相關(guān)處理以及事后分析等每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了精心規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并將有關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)和心得寫入科研論文。同時(shí)，還指出了CVN在流量定標(biāo)、電離層模型優(yōu)化等方面亟待解決的問題。
 

　　這項(xiàng)研究是在中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、國(guó)家天文臺(tái)、新疆天文臺(tái)、國(guó)家授時(shí)中心等多家單位的多位科研人員通力合作之下完成的。該研究得到了科技部平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡(SKA)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等課題的鼎力資助。