空间射电望远镜甚长基线干涉观测网

目前地面上的甚长基线干涉网以美国的甚长基线干涉阵(VLBA)和欧洲网(EVN)最为有名,它们的分辨率都是史无前例的,这两个网还常常合作组成全球网,成为世界上分辨率最高、灵敏度最高的地面射电望远镜。

但天文观测对分辨率的要求是无止境的,宇宙有探之不尽的奥秘,细节之下还有细节,突破地球大小的限制,发展空间VLBI技术成为天文学家的追求。以日本为主国际合作建成的日本甚长基线干涉空间观测站(VSOP)在1997年开始运行,其分辨角达到0.01毫角秒。21世纪将是空间VLBI大发展的时代,更诱人的计划是在月球甚至在火星上建立VLBI的射电望远镜,与地球上的射电望远镜进行干涉观测。月地距离使干涉仪的基线长达38万千米,其分辨率将会有惊人的提高。

HALCA卫星所载的空间射电天文望远望

空间和地面射电望远镜联合的甚长线干涉观测示意图

地面VLBI观测和VSOP对类星3C273中喷流结构的观测结果。VSOP的高分辨率观测,获得了在垂直于3C273喷流方向上的结构,首次发现喷流中的双螺旋结构(图中曲线所代表)

2001年8月在日本的宇宙科学空间研究所召开的VSOP-2国际会议上来自日本、美国、加拿大、澳大利亚、欧洲和中国的科学家

VSOP观测到类星体3C345的核及附近区域的精细结构与地面用VLB16厘米波段观测结果是不同的

钱德拉X射红天文台观测到的PKS0637-752的X射线喷流(尺度为角秒)和VSOP的高分辨率观测结果(插入图),显示出了内喷流区域的毫角秒尺度的精细结构

BL Lac天体0235+164的VLBA和VSOP的观测结果,VSOP的观测显示毫角秒结构

第二代VSOP的空间射电望远镜设计方案

 

HALCA空间望远镜在厂房中

 

人类第一架射电天文望远镜上天

地球大气只允许可见光和无线电波进来,把远红外、紫外、X射线、γ射线挡在大气层之外,因此只能发射卫星到大气层之外去观测这些波段的辐射。对于光学波段,由于地球大气衍射效应,大大降低了地面望远镜的分辨能力,哈勃空间望远镜上天,彻底摆脱地球大气的干扰,提高了空间分辨率。1997年日本科学家把一架口径8米的射电望远镜送到太空绕地球运转的轨道,其目的并不是为了摆脱大气的干扰,而是为了获得比地球直径大很多的基线,与地面射电望远镜联合进行甚长基线干涉观测。

早在20世纪80年代初,日本科学家就开始策划空间甚长基线干涉观测项目,经广泛征求意见后于1987年3月正式向当时的日本宇宙科学研究所提出。这个计划称为VLBI空间天文台计划(VLBI Space Observatory Programme),简称VSOP,1989年正式开始研制。

1997年2月12日,日本科学家利用日产公司制造的三级全固体新型M-V运载火箭把专用的射电望远镜卫星——“极先进的通讯和天文实验室”(Highly Advanced Laboratory for Communication and Astronomy,取其首字母缩写为HALCA),发射到太空中,成为首颗空间VLBI卫星。射电望远镜的反射面像一把伞一样,发射时是收拢起来的,进入轨道后,才把太阳能帆板、射电望远镜的副反射面和主天线面展开,卫星总质量约800千克。

空间甚长基线干涉观测项目(VSOP)

HALCA卫星绕地球轨道周期约6.3小时,绕转轨道与赤道倾角是31度,近地点在580千

米,远地点在21400千米,与地面上的VLBI天线组成了一个等效孔径达3万千米的VLBI观测网。选用这种椭圆轨道的目的是加大卫星与地面上的射电望远镜之间的距离和范围,提高分辨率和改善图像的质量。在6厘米和18厘米波段上的角分辨率比地面VLBI阵相应波段提高了3倍以上,比哈勃空间望远镜在光学波长上的分辨率高出1000倍。卫星上配置了太阳能叶片和恒星跟踪仪,还有用于接受5个分布在地球上的地面跟踪站的信号并发回射电天文观测数据的通讯天线。同地面的VLBI观测台一样,观测时利用原子钟准确的时标给数据流打上时间标记,利用原子钟准确而稳定的频率作为本机振荡频率,以保证与地面的射电望远镜同时观测同一天体的相同波段的辐射。

HALCA是世界上第一台被送到太空中的甚长基线干涉测量仪器。是一个由日本牵头的国际合作项目,其中包括日本宇宙科学研究所和国家天文台、美国航宇局的喷气动力推进实验室、加拿大航天局、澳大利亚国家望远镜设备、欧洲的甚长基线干涉观测网和甚长基线干涉观测联合研究所。地面上已有的VLBI观测网和深空观测射电望远镜等都与HALCA合作共同观测,最重要的是美国的VLBA、欧洲网和一个从澳大利亚延伸到南非的一个南半球阵。我国上海和乌鲁木齐的两台25米口径的射电望远镜是欧洲网的成员,已经多次参加空间VLBI的观测。

HALCA卫星的预期寿命是3年,但天文观测一直进行到了2003年10月,实际寿命在6年半以上,现在卫星还在太空轨道上运行,但是已经无法对卫星姿态进行控制,不能作天文观测了。

2001年8月在日本的宇宙科学空间研究所召开的VSOP-2国际会议,来自日本、美国、加拿大、澳大利亚、欧洲和中国的科学家共商下一代VSOP的蓝图。计划中的VSOP-2的空间射电望远镜天线为10米,天线采用偏轴抛物面,以提高接收效率。卫星总质量约910千克,运动轨道将与VSOP大致一样,绕地球轨道周期约7.5小时,绕转轨道与赤道倾角是31度,近地点在1000千米,远地点在25000千米。工作频率是8、22和43GHz,最高频率比VSOP提高了约10倍,角分辨率也将相应提高10倍。此外,VSOP-2可同时进行双偏振观测和相位参考观测。该计划目前还在完善中,预计在2010年或稍后的时间里发射。

观测

甚长基线干涉观测的分辨率是其它任何望远镜所无法比拟的,空间甚长基线干涉(VSOP)又将VLBI观测的分辨率提高了3倍以上,成为研究具有精细复杂结构的致密射电源的最强有力的射电望远镜。通常,VSOP总是用来对地面VLBI高分辨率观测发现的重要射电源或现象进一步深入考察,给出精细的结构。由于类星体和活动星系核均具有非常小的角径(类星体常常也是星系核),极端的致密且亮度和温度都非常高,往往有喷流出来,充满神秘的色彩,因此成为VSOP观测的重点。在VOSP观测的安排中,有1/4的观测时间是对全天活动星系核进行普查,观测了共约300个致密源。平均来说,这些星系核的角直径约为0.20毫角秒,有约15%的核大小不到0.04毫角秒。20%左右的源的亮度和温度大于1013K,约3%的大于1014K。

其中,VSOP在对类星体3C273喷流结构的观测中,首次发现喷流中的双螺旋结构,这是第一个直接的观测证据表明银河系外的射电源中的相对论性喷流中存在着等离子体不稳定性。对类星体PKS1921-293的观测,VSOP把其核心分辨为两个源,天文学家相信是两个黑洞。

VSOP的观测成果加深了人们对宇宙的理解,推动了天体物理学的进一步发展,我们期待着它更新的成果。(全文完)

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