中國天眼和中國VLBI網探路性脈沖星聯合觀測獲得成功

　　【儀表網 研發快訊】中國科學院上海天文臺研究團隊聯合國內多家兄弟單位一起組織了中國天眼和中國VLBI網(CVN)的探路性脈沖星聯合觀測并獲得成功在獲得多項技術經驗的同時又發現多項亟待解決的問題。該研究成果近期發表于《Chinese Physics Letters》。
 

　　1974年，諾貝爾物理學獎授予了射電干涉技術研究先驅馬丁•賴爾和脈沖星發現者安東尼•休伊什。基于射電干涉技術的甚長基線干涉測量(簡稱：VLBI)是一項能夠將相距成千上萬公里的多個射電望遠鏡有機組成陣列的先進技術。該技術不僅可以提高觀測靈敏度，還可以提高分辨本領，是天文學研究獲得最高空間分辨率的重要手段。20世紀60年代天文學“四大發現”之—的脈沖星是宇宙空間中一類能夠發射周期性脈沖信號的致密天體，其在極端條件物理規律研究、深空導航等多個領域有重要價值，從而獲得“空間物理實驗室”、“宇宙導航燈塔”等美譽。
 

　　VLBI在脈沖星高精度測量以及星周環境探測等方面均具有重要價值。自上世紀70年代開始，天文學家便嘗試開展脈沖星的射電干涉觀測，但僅限于少數距離較近望遠鏡組成的VLBI或者連線干涉儀，研究目標也僅限于幾顆強脈沖星。因面臨多項難點，脈沖星VLBI觀測在今后的20多年中進展緩慢。首先，脈沖星輻射和常規射電源差異較大，其信號為一系列強度比較弱的周期性脈沖，要成功對其觀測不僅需要高靈敏度設備還需要有效“捕捉”脈沖信號；其次，絕大多數脈沖星信號的流量隨頻率升高而迅速降低，其VLBI觀測需在相對低頻進行，但會因電離層影響而嚴重降低觀測效果。直到上世紀90年代末，相對規模的脈沖星VLBI觀測才逐步開展起來取得了可觀的科學成果，如大型PSRΠ項目獲得了百余顆脈沖星不依賴任何模型的距離和速度測量、通過VLBI測量和脈沖星計時的有機結合成功認證含有行星的三星系統、實現了亞毫角秒分辨率的星際閃爍成像觀測等。這些成果幾乎都是由美國VLBA(Very Long Baseline Array)等國際VLBI網取得的。但目前，國際VLBI網脈沖星觀測已經逐步進入了靈敏度瓶頸期。
 

　　由佘山25米、天馬65米、南山25米、昆明40米望遠鏡以及上海數據處理中心組成的中國VLBI網(CVN)在月球、火星探測衛星軌道精確測量方面發揮了重要作用。相比之下，該網在天體物理研究方面貢獻相對較少，僅進行過屈指可數的試驗性觀測。隨著上海天馬65米、中國天眼(FAST)500米的建成以及奇臺110米、景東120、樺甸120米等大型射電望遠鏡的啟動，將來納入這些望遠鏡的CVN將會是國際上靈敏度最高的中低頻VLBI網。如何聯合國內射電望遠鏡開展天體物理研究，用好大型設施，顯得尤為重要。
 

　　通常普通脈沖星比毫秒脈沖星計時特性更不穩定、運動速度也更快，這對VLBI觀測數據脈沖星信號提取以及成圖搜索都提出更大的挑戰。為了更好地探索有關技術路線，研究者特意選擇了兩顆普通脈沖星B0919+06和B1133+16作為觀測目標，于2023年4月11日聯合FAST(500米)、天馬(65米)、南山(26米)以及洛南(40米)正式執行了探路性觀測(有效頻率范圍：1352−1480 MHz)。數據相關處理過程中采用了“數據分箱”(pulsar binning)技術“捕捉”脈沖星脈沖信號，該技術所需的脈沖星高精度星表由天馬望遠鏡長期計時監測予以保障。研究者采用相位參考源條紋擬合以及美國航空局噴氣推進實驗室(JPL)電離層模型等手段消除電離層影響，探索設置合適權重的方法來綜合保證觀測成圖靈敏度和分辨率。本次探路性觀測成功探測到脈沖星B0919+06和B1133+16，其高分辨率成圖結果如圖所示。
 

脈沖星B0919+06和B1133+16本次觀測成圖結果
 

　　在此基礎上，還測得觀測當天它們的高精度坐標：
 

　　兩顆脈沖星RA方向位置測量結果均優于毫角秒，而DEC方向位置測量結果精度稍差，這是由于該方向的基線長度相對較短。對比VLBI、連線干涉儀以及單天線計時歷史測量結果的預測值，研究者明確發現計時觀測很難精確擬合普通脈沖星的天體測量學參數，究其原因是其到達時間特性不穩定，而干涉儀尤其是VLBI則可以對其進行精確測量。
 

　　本次實驗是對中國天眼和CVN聯合觀測技術路線的有益嘗試和探索。研究者對參考源選取、觀測模式設置、數據相關處理以及事后分析等每個環節都進行了精心規劃和設計，并將有關技術細節和心得寫入科研論文。同時，還指出了CVN在流量定標、電離層模型優化等方面亟待解決的問題。
 

　　這項研究是在中國科學院上海天文臺、國家天文臺、新疆天文臺、國家授時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鏡(SKA)專項、國家重點研發計劃等課題的鼎力資助。