大射电望远镜异常微波发射观测

文摘

我们在本文中讨论的问题异常微波发射(AME)正在进行的或未来的光观察执行与世界上最大的可操纵的射电望远镜。高角分辨率的观测AME将使天文学家能够大大提高知识的AME机制以及星际介质的不同成分之间的相互作用在我们的星系。AME的银河系外的观察开始,和高分辨率是更重要的在这种观察。cross-correlating IR-dust发射时,高角分辨率也基本重要为了获得公正的结果。观测频率的选择也是至关重要的连续观测。我们计算价值函数的信噪比(信噪比)占AME观察鉴于目前最先进的知识和技术。我们在价值功能还包括频率依赖的多频观测。我们简要地提及并比较性能的四个世界上最大的圆,希望他们每个人的观察项目将尽可能强烈。

1。介绍

科学界的兴趣在异常微波发射(AME)正在增长。这个发射首次探测到宇宙背景探测器(COBE)扩散排放多余30 GHz (1,已经花了重大努力理解它的本质和属性。令人费解的是,它是与热尘埃的亮度,但峰值在20 - 30 GHz热尘埃的贡献可以忽略不计,排放预算应该是由免费和同步。因此一种新的发射,其性质仍是未知的。调查是至关重要的对于理解星际介质的组成(ISM)。

统计证据的发射被发现在观察弥漫性星系背景的几个作者(见,例如,2- - - - - -5]),而AME已经检测到直接在个别地区在数量有限的情况下(见表1),它仍然使努力得到它的属性。

AME地区典型排放10% - -30%超过预期从同步和免费,在8-30 GHz范围(例如,6,7),见图1)。大多数发表的结果与银河对象,有一些例外。银河来源通常是几个弧分宽,有关HII区域,超新星遗迹(信噪比)或乌云。其中,仅在一个案例中,发现一个明显的极化程度(8),而上限设置为其他情况下(9- - - - - -11]。提出了几个模型来解释AME,最受欢迎的是德雷恩和Lazarian。(我)旋转的尘埃(电偶极子):德雷恩和Lazarian12,13)(以下简称DL98a和DL98b)提出AME是由于电偶极发射从高速旋转的小尘埃颗粒在ISM(即。旋转的尘埃)。他们发现这种谷物生产的发射光谱适合观察到的信号,可能负责AME。Lazarian和德雷恩14)还发现,顺磁弛豫共振可能有效地生产谷物旋转速度比1 GHz的对齐。这可能会导致一个可观测的极化程度高达5% 10 GHz,减少在更高的频率。旋转的尘埃模型然后开始精炼(15- - - - - -18]。(2)灰尘颗粒磁偶极子:德雷恩和Lazarian [19]表明,磁偶极子辐射尘埃颗粒的强磁性材料可以有一个频谱占观察到的AME。在这个模型中,铁磁放松可能有效地使尘埃颗粒和产生强烈的频率和shape-dependent偏振发射,可能高达30%,10 GHz。这是由汉斯莱德雷恩和进一步研究[20.]。

AME的极化水平是一个关键选择模型。斯托克斯我多波段观测范围8-30 GHz的基本分离的AME其他组件和确认AME的频谱。高角分辨率测量,在强度和偏振,是必不可少的理解物理学之外的AME和限制混乱出现的困难解决不同组件排放在同一地区贫穷的角分辨率观测。

最近的模型似乎预测AME是由电偶极发射从最小的谷物,可能多环芳烃(多环芳烃)21]。然而,目前没有观察有足够的灵敏度,分辨率和频率覆盖解决候选机制。这需要进一步调查的性质已知的反常地发射区域和寻找新的地区和更高的灵敏度,频率范围,和极化测量,进一步提高我们对物理过程的理解产生AME。高角分辨率(弧分钟级别)的观测是这样解决的关键在同一地区不同的贡献。这些开始揭示惊人效果的消失dust-to-radio相关当我们去细角尺度(22,23]。这种效果是由Ysard et al。24]谁解释,在密集的分子云,云的AME更强向中心由于气体密度越高,而周围的强烈辐射场促进云的粉尘排放在郊区,那里的AME低是由于气体密度的降低。这使得50 - 100 m类等观测望远镜的理想仪器。

2。本地化AME测量

高角分辨率的测量异常排放是重要的区分不同区域内HII区域或乌云,为了将各种组件和理解这些机制背后的物理隔离单发射器。事实上,大多数检测来源广银道面内。在这种情况下,弧分水平角分辨率将是有效的把AME的银河排放引起的磁场在不同数量的灰尘,自由电子和分布式磁场可能在模仿行为上升与AME光谱一致。自从AME标识通过SED测量,高角分辨率测量是必不可少的选择,在不同的频率,在ISM相同物理卷的发射器。这同样适用于广播和IR-dust排放的比较,基本监控小尘埃颗粒。匹配的分辨率红外调查,必须使用最大的射电望远镜。当cross-correlating高-低频率(分辨率)地图,必须降低高度解决映射到最严重的失去信息发射区域的形态。它是有用的和有效的执行像素相关性为了提取辐射信息(见,例如,22])。在图2,我们显示的分辨率损失的影响MIPS 24-micron珀尔修斯的斯皮策地图复杂降解时10弧最小分辨率。更重要的是银河系外的观测角分辨率。映射附近的星系的恒星形成区域高可以提高我们的知识的机制以及对比我们和其他星系。个别地区观察到目前为止是异常发射器包括HII区域,乌云,超新星遗迹和恒星形成率高的地区附近的星系。除了NGC 6946,没有一个衡量地区曾被观察到,在微波范围,角分辨率超出弧几分钟。我们报告在表1出版资源的列表。

所有报告病例是银河对象的明显异常附近的星系NGC 6946,它显示了AME的证据从外面圆盘状的恒星形成区域(25),初步检测到麦哲伦星云(26,27]。其中,只有珀尔修斯被发现在极化8),而为LDN1622设定上限,RCW49, LDN1688 [9- - - - - -11)和珀尔修斯的分子云(28]。

珀尔修斯分子云是研究最多的地区:在第一次检测的COSMOSOMAS实验(6),它已经被其他的实验观察到像问题[29日,30.)和普朗克协作(27]。另一个研究地区RCW175 [31日)这似乎是一个重要的信息来源,不仅为其综合光谱能量密度(SED),而且它的复杂形态(32]。角分辨率的1角最小水平足以单独在同一地区的不同贡献。

测量频率敏感AME (10-40 GHz)在局部地区有比较低的频率测量,通常10 GHz为了监控同步加速器的存在和免费评估超过排放。比较总功率连续观察,通常由不同的实验,既重要又困难。不同的校准方案,观察策略,地图定位算法,和背景去除技术可能导致偏见的结果相比免费和同步信号之间的AME。多频测量因此明智的和当执行相同的接收器将有用为了控制常见的系统性影响。特别是观测频率的选择是基本的重要性和必须选择交易掉的权力,探测器灵敏度,观察污染,,进行多频测量时,频谱的陡度一起能力理清幂律减小光谱AME的典型光谱上升。

在图3(一个),我们画出信噪比在一个典型的地面观测建立占大气和接收机对系统温度的贡献(作为频率的函数)以及信号强度和频谱。这可以被认为是一个价值函数为单一频率的观察。多频测量(图3 (b)),我们建立了一个类似的价值函数的附加成分旨在理清AME和幂律排放如免费或同步。两者的结合(图3 (c))占AME权力及其频谱。

3所示。AME的射电望远镜观测

连续宽带测量射频(RF)与总功率接收器等影响系统的影响1 / f噪音和增益波动,条纹在地图,激增的数据,传输的变化,大气的排放(所有导致条带化的地图)33]。周围环境条件的变化以及仪器不稳定显然影响测量。最后的敏感性明显取决于接收机灵敏度以及它的稳定性和天文混乱。

具体观测技术需要减轻影响,包括位置开关(通常是观察天空几束),频率切换(通常为谱线观测,感兴趣的是与连续基线相比),迪克开关(比较观察到的天空和一个内部参考),如果切换(比较2 IFs),极化切换(比较不同偏振态),交联扫描策略(每个天空区域观察到至少两次几乎正交扫描方向),二极管照明(作为参考信号克服漂移),详细的噪声过滤和波束切换观察2/3字段。低纬度天文台也可能利用,当执行地图,常数的仰角扫描策略。大气排放往往,在恒定的仰角扫描,由大气小波动而不是大气团依赖。为了消除条纹图,可以使用一个交联策略观察同一地区上升时,当它集。

工具中,我们相信可以大大推进AME机制的知识,我们提到100绿色银行望远镜(https://science.nrao.edu/facilities/gbt/)在美国,德国100 Effelberg望远镜(http://www.mpifr-bonn.mpg.de/8964/effelsberg/),澳大利亚64 Parkes望远镜(http://www.parkes.atnf.csiro.au/),新的即将到来的撒丁岛射电望远镜(http://www.srt.inaf.it/在意大利)。望远镜是如图4表和一些基本特征2。

3.1。绿色银行望远镜

绿色银行望远镜(GBT)是世界上最大的可操纵的单碟望远镜。离轴设计使入射辐射GBT孔完全畅通虽然增加了设计的复杂性和极化解释由于缺少循环对称。活跃的表面使GBT合适的仪器50 GHz以及80 - 100 GHz频段。它座落在一个广播区特别不受干扰。AME感兴趣的频率的测量,GBT配备X, K, Ku,和Ka波段接收器之间的光谱范围覆盖8 - 40 GHz,角分辨率的范围从0.3′′。5应用,极化能力和极具竞争力的敏感性。GBT已经进行观察项目与AME。例如,梅森et al。9)严格上限的极化异常源L1622(有请以前观察到Finkbeiner et al。34)140英尺GBT)和墨菲et al。25)使用GBT第一银河系外的AME的证据。NGC 6946的结果是获得使用加州理工学院连续体后端(建行)(GBT)。观察得到解调beam-switched信号消除大气波动和接收机增益变化(35]。平均光束的26-40 GHz GBT 25′′。观察压力GBT强,所以不许多大型项目通常是接受36]。然而,单一来源已知或未知的AME通常适合观测GBT的管理。

3.2。由

100由望远镜是欧洲最大的望远镜。没有在主镜上实现活性表面,而8个执行机构安装在二次镜子。其名义观测频率408 MHz和86 GHz之间由于所使用的特殊补偿支撑结构。AME的舰队覆盖感兴趣的频率测量,但连续的观测可能只有1.3 - -1.7 GHz, 2.6 GHz, 4.85 GHz, 8.35 GHz, 10.5 GHz, 32个GHz。我们没有进行观测项目知识领域的AME。由于它的位置,无线电频率干扰可能是一个问题。非常有效的射束交换接收器可能不过是特别适合高分辨率观测AME地区。

3.3。帕克斯

一个科学成功的单碟望远镜Parkes 64米望远镜。的可用性是其成功的原因中最先进的l波段13-beam接收机、数字后端,其特定的无线电安静和地理位置。Parkes配备了一个一致的接收器舰队,从火星到13毫米接收机,它允许覆盖感兴趣的光谱范围AME。Parkes最近经历了一次项目观察AME来源(Cruciani等人做准备)32,37),尤其适合这样的一个程序。

3.4。撒丁岛射电望远镜

即将到来的新巨头单碟可操纵的射电望远镜是撒丁岛的射电望远镜(SRT)。SRT是一个新的64先进的无线电天文望远镜。SRT的最重要的特性是活跃的表面使SRT观察天空100 GHz。它位于撒丁岛的一个特别广播区。SRT的特色之一是三个不同的焦点位置的可用性可以有效管理不同的接收器。AME的光谱愤怒感兴趣的观察是由几个Ku, K, Ka接收器MHz带宽,和程度的敏感性,格雷戈里所有移式的焦点。现代设计和使用技术使SRT中最具竞争力的大型射电望远镜。不同的观测技术可以像位置开关,实现波束切换、频率切换,二次镜摆动由于6机电致动器启用快速倾斜。映射技术扫描和动态也是可能的。连续观测计划的多波束接收器K波段。7梁18-26 GHz范围将使观察者跟踪AME其光谱显示了其他知名相当不同的特性主要排放机制在微波波段像免费或同步。

为了估计微波发射区域的观测时间实现地图与不同的望远镜,我们估计名义观察地图所需的时间地区rms噪音mJy /梁水平,足够典型异常排放地区几个mJy /弧分²。假设1分钟的长扫描连续扫描之间保持一个典型的30年代的开销在可接受的分数,并假设间隔扫描和1/3的半最大值宽度完全覆盖在每两个正交方向(RA和DEC)编织篮子绘制地图有效,我们发现,在13个GHz测量,1全扫描允许2.5小时达到1.8 mJy /梁水平Parkes望远镜,1全扫描的5个小时可以到达0.6 mJy GBT /梁水平,和1 3小时的全扫描允许达到0.35 mJy /梁SRT的水平。至于23 GHz测量,我们发现,与类似的扫描程序,我们有4小时的扫描允许达到2 mJy /梁水平Parkes望远镜,一个3小时的扫描将允许达到0.3 mJy GBT /梁水平,和一个5小时的扫描可以达到1.5 mJy / SRT的梁。不同的扫描长度反映了不同观察梁和必要的预成型不同数量的单扫描以均匀覆盖观察到的地区。我们压力,然而,真正的集成时间和最终的通量rms水平还取决于其他因素,如系统不稳定,1 / f噪音,地图制作的细节。指定的时间,虽然这些观察肯定有前途,因此应解释为乐观。

4所示。结论

我们已经调查了AME的角色,高角分辨率测量将会在不久的将来。比较之间的瞬时敏感性引用四个工具(36)表明,他们将是非常有用的AME测量。特别是GBT明显显示了最佳性能的角分辨率由于其规模和SRT是竞争和其他仪器经常超越他们。几个项目,提到仪器adviceable为了揭开AME机制。

确认

作者承认使用MIPS 24-micron NASA / IPAC红外科学数据档案。他们感谢Ricardo Genova-Santos评论和建议。我们感谢匿名裁判有用的评论,提高了纸。

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