空间VLBI今昔谈

释放双眼,带上耳机,听听看~!

前两天写《射电干涉仪与综合孔径望远镜》的时候,又写出了这么一篇副产品。原先本人对于该技术的了解仅限名词,当初学习实测天体物理时也是一带而过,以为不过又是个图纸上的计划而已,不想早已变成了现实,更不曾料到的是,第一颗空间VLBI试验卫星已经正式退役两年。</>空间VLBI从原理上看是没有什么好多说的,和地基VLBI类似,只是把射电天线架设到太空轨道上进而延长基线而已。但这也是最关键的一点:干涉测量的分辨率取决于基线长度,太空中又不会受到地球尺度的限制,因此可以把基线延伸到很长,大幅提高分辨率。正因为原理上的简单性,早在1980年代初,就有空间VLBI计划提出了。这是NASA与欧洲空间局的合作项目——QUASAT(Quasar Satellite,类星体卫星),它计划将15米口径的天线送入太空,与地基望远镜结合,基线长达50000千米,这样在22 GHz的频率上可以做到0.1毫角秒的分辨率,远胜过甚大天线阵,甚至也优于甚大阵扩展计划完工后的预期值。如其名所示,QUASAT的主要观测目标之一是活动星系核的中心喷流,尤其是赤纬在-60度以南的那部分天体。但QUASAT在最后的竞争中不敌惠更斯号探测器,最终没有变为现实,如今只留下了区区几篇文献,连效果图都难以寻觅。实质性的进展来自跟踪和数据传输卫星系统(TDRSS)。该系统使用的第一颗卫星是由挑战者号航天飞机在1983年携带升空的,主要用于卫星和空间站的对地通信。1984年,有文章报道了利用TDRSS的第一次干涉导航尝试。1986年至1988年间,日本臼田的64米天线、澳大利亚堪培拉的70米天线与TDRSS的4.9米星载天线一道,在2.3和15 GHz的频率上观测了三个类星体,并成功获取了干涉条纹。这是第一次真正意义上的空间VLBI天文观测,也证实了这一技术的可行性。空间VLBI今昔谈第一代跟踪和数据传输卫星(左上,图片提供:GSFC/NASA)与臼田64米天线(左下,图片提供:JAXA)和堪培拉70米天线(右,图片提供:JPL/NASA)。此后欧洲空间局和NASA又提出了各自的空间VLBI计划——IVS与ARISE,主天线口径都在20米左右。可惜这二者都没有变为现实,现今也是资料寥寥,本人是只查到了计划中的工作频率。第一颗致力于空间VLBI观测的卫星是HALCA,于1997年2月12日在鹿儿岛航天中心发射。为了尽可能地延长基线,HALCA的轨道是偏心率极大的椭圆,近地点高度只有556千米,远地点高度却达到了21375千米。31度轨道倾角的选择则是为了照顾鹿儿岛航天中心的地理位置。考虑太阳辐射对电池帆板的损伤,HALCA的计划工作时间是3年,实际的正常运转持续到2003年10月的姿态控制失灵为止,2005年,官方正式宣布HALCA任务终结。空间VLBI今昔谈HALCA。(图片提供:JAXA)HALCA的开端也要追溯到1980年代早期,当时日本天文界和空间科学界开展了空间干涉的讨论。1987年3月,名为VLBI空间天文台(VSOP)的计划正式提交给了日本太空和太空航行研究所。经过2年的可行性评估,有关研制工作于1989年启动,配套跟踪站和相关器的建设也于1994年前后开始。BTW,关于计划的命名,还有个小插曲:VSOP也是25年以上陈年的白兰地酒缩写(Very Superior Old Pale),据说是因为计划的两位命名者都热中饮用此酒,故得此名。HALCA在发射前名为MUSES-B,是利用M-V三级固体火箭发射的第一颗卫星,升空后更为现名(全称Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy,通信和天文学高度先进实验室,同时HALCA还是日语中“遥远”的谐音,照应2万余千米的远地点高度)。1997年2月底,经过三次变轨的卫星展开了8米射电天线,开始进行测试工作。同年3月,HALCA对准了第一个观测目标——W49N,并测得了脉泽线。5月13日,三鹰相关局率先获取了HALCA参与联测的干涉条纹。6月,新墨西哥州的索科洛(这里也是甚大天线阵和甚长基线射电望远镜阵控制中心所在地)也得到了干涉条纹,正式观测启动。空间VLBI今昔谈HALCA的第一条干涉条纹,目标天体是类星体PKS1519-273。(图片提供:三鹰相关局)作为首颗VLBI观测卫星,HALCA担负着技术测试与科研观测的双重使命。卫星主要测试了大型天线的展开、高灵敏度在轨接收机、3轴高精度指向控制、卫星与地基原子钟比对所需的稳定相位传输、宽频数据传输、高精度定轨等关键技术,其中相当一部分还属首创;科学观测目标则包括活动星系核和强射电星的高分辨率成象、视超光速源的监测、活动星系核自行随红移的演化、水脉泽源运动的监测、羟基脉泽源的尺度分布等。观测可以在1.60-1.73 GHz、4.7-5.0 GHz以及22.0-22.3 GHz三个频段上进行,不过由于卫星本体在发射期间受到了22 GHz的震动影响,导致最后一个波段效率降低,故而使用较少。HALCA将VLBI的精度提高到了毫角秒量级,因此揭示出了很多精细结构,如类星体喷流中的双螺旋构造,这是磁流体开尔文—亥姆霍兹不稳定性的表征,也第一次确认了这类现象在相对论性喷流中的存在性。另外HALCA投入了大量的时间进行活动星系核巡天,完善了对此类天体亮温度和尺度的统计工作。时至今日,仍有基于HALCA观测结果的论文发表。空间VLBI今昔谈类星体3C273喷流的5 GHz图象,可见其中的双螺旋结构。(图片来源:Lobanov & Zensus 2001)HALCA的后继者是ASTRO-G(VSOP-2),预计于2012年前后发射,设计寿命5年。ASTRO-G的天线采用了偏轴卡塞格林式设计,口径约9米,将在8 GHz、22 GHz和43 GHz三个波段上工作,最高分辨率是HALCA的10倍。它的目标也包括活动星系核、相对论性喷流、河外水脉泽源等,此外巨脉泽源和恒星演化亦被列到了研究计划之中。空间VLBI今昔谈VSOP-2概念图。(图片提供:JAXA)同时,俄罗斯(当时的前苏联)也在1980年代中期提出了自己的空间VLBI计划——RadioAstron。与HALCA六个多小时的轨道周期相比,RadioAstron的周期显得格外长:9.5天左右。换句话说,RadioAstron的轨道半长径更长,有将近20万千米,近地点高度也有数万千米,如此也就获得了更长的基线。当然,这样高的轨道带来的问题是月球的摄动,因此该卫星的轨道根数是在时刻变化的。RadioAstron的主天线口径10米,亦是采用在轨展开的方式。4个工作波段分别是0.327 GHz、1.66 GHz、4.83 GHz和18.4-25.1 GHz,接收机各由印度、澳大利亚、俄罗斯和芬兰承造,铷原子本振是由欧洲空间局与瑞士合作完成的。预计它将于2008年10发射,除观测活动星系核与脉冲星外,还有建立精确天球参考系和地球引力场模型的任务。空间VLBI今昔谈RadioAstron主天线的组装。(图片来源:Astro Space Center)HALCA、ASTRO-G与RadioAstron只能算作第一代空间VLBI卫星,运行在地球轨道上,口径也不是很大。至于更远的未来,已经有人考虑使用NASA的下一代登月火箭——战神V型将上百米口径的天线送到第二日地拉格朗日点上,这里背向太阳,也远离一切无线电干扰,更可观测为地球大气所吸收的低频射电波段。也有人计划在月球甚至火星上安置射电望远镜。想法当然是野心勃勃的,一旦完工,影响和意义也自然不会小,在此谨祝一切发展顺利好了。 参考资料:[1] A study on the imaging potential of QUASAT by Readhead et al.
[2] Space VLBI Co-Observing at the DSN
[3] Space VLBI Project
[4] Space VLBI at University of Calgary
[5] 三鹰相关局
[6] RadioAstron main page
[7] 《空间射电望远镜甚长基线干涉观测网》,吴鑫基 著,《太空探索》2005年第1期内容来自 Bo Zhang's Homepage

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