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2018-8-18

ALMA第10波段的璀璨亮相

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 1:39 pm

射电天文学,尤其是射电天文学观测设备在今年夏天应该配得上“井喷”二字。继7月南非平方千米阵探路者——MeerKAT落成之后,8月中旬,坐落在智利海拔5000的Chajnantor高原上的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵(ALMA)正式公布了正式其最高频段——第10波段的接收机第一批观测结果,标志着这组有史以来造价最高的地面天文观测设施在全面落成5年之后终于羽翼丰满。

按照最初的规划,ALMA的观测频段从30几GHz到1 THz,共分为10大部分。这其中,第1波段接收机还在建造中,而第2波段的尚处早期开发阶段。不过因为这两个波段因为频率低,其他天文台还是存在不少替代品的,只是分辨率和灵敏度不如ALMA而已。更受瞩目的则是直抵太赫兹的第10波段。

波段编号 波长
(mm)
频率
(GHz)
1 8.6 – 6 35 – 50
2 4.6 – 3.3 65 – 90
3 3.6 – 2.6 84 – 116
4 2.4 – 1.8 125 – 163
5 1.8 – 1.4 163 – 211
6 1.4 – 1.1 211 – 275
7 1.1 – 0.8 275 – 373
8 0.8 – 0.6 385 – 500
9 0.5 – 0.4 602 – 720
10 0.4 – 0.3 787 – 950

ALMA各观测波段的划分表

天文学家对这一段有些难以界定究竟属于射电还是红外线的领地还是比较陌生的。由于地球大气中的水份在此频率上的吸收效应极强,THz地面观测其实刚刚起步;而之前的赫歇尔空间天文台虽然对此有所涉足,却也受限于3.5米反射镜的分辨率。只有阿塔卡马沙漠极端干旱的高原条件再加上ALMA的非凡灵敏度以及干涉原理带来的解析能力,太赫兹天文学的精确化与常规化才得以变为现实。

左上:氮化铌钛接收机样机外观;右上:接收机的氮化铌钛薄膜集成电路板截面图;左下:氮化铌钛集成电路板外观;右下:电镜下的氮化铌钛集成电路板放大图。图片提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

与其他毫米/亚毫米波谱线观测仪器一样,ALMA的第10波段接收机也采用了外差原理——直接对上百GHz以至更高频率的信号作Nyquist采样并进行傅里叶变换的难度未免过大,因此原始数据要先作混频处理。由于工作频率高,常规铌超导体的性能已经不大灵光了,所以来自日本国立天文台的研发团队又选择了氮化铌钛合成薄膜作为第10波段接收机的核心元件。这些接收机于2013年使用ALMA台址的两架7米天线第一次获取了干涉条纹,并于次年完成了运输和现场安装工作,2015年正式对科学用户开放。但其第一批科学观测成果昨天才正式发表,所用的数据也是今年春天采集的。这期间天文学家和工程师所面对过的艰辛与困难,从时间线上也能窥见一二。

ALMA第10波段接收机于2013年10月获取的第一组干涉条纹。图片提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

那么在频率如此高的波段,我们可以看到什么?首先是温度极低的尘埃发出的热辐射,不过更加引人入胜的还要数那些纷杂的分子谱线。ALMA先前在3-7波段上开展的观测已经率先从星际空间中找到了第一批分枝状的含碳有机分子,而频率更高的第10波段则可以为较低频观测提供有力补充——林林总总的这些谱线,幕后的罪魁很可能就是品种有限的分子,它们在不同的激发条件下发出不同的特征辐射,而特征线对应的跃迁类别就暗示了分子所在的环境,能级越高,往往就意味著周边也更加温暖致密。此外,重水等重要分子的最低能级跃迁也是发生在第10波段的范围内的。

ALMA第10波段的第一批观测选择了猫爪星云中的大质量恒星形成区NGC 6334I作为目标。星云本身是天蝎座一处璀璨的发射星云,由被年轻恒星照亮的氢原子发出的H-α光染红。而此次瞄准的区域已被早先的研究证明富含甲氧乙醇等有机分子,且距离地球相对较近,更已具备了包括赫歇尔在内的望远镜提供的多波段观测数据,对于新接收机的小试牛刀来说尤其适宜。

猫爪星云NGC 6334的全景光学照片。图片提供:ESO/Digitized Sky Survey 2

对NGC 6334I的高频观测使用了ALMA的66面天线中的40面,合成波束的宽度只有0.21×0.15角秒——这已然达到了光学望远镜的水平。而凭借ALMA的灵敏度,将近700条谱线浮出了水面,它们分别来自甲醇、乙醇、甲胺等复杂程度不一的分子,甚至还有最简单的糖分子——乙醇醛。作为对比,赫歇尔望远镜的HIFI仪器只不过在同频率、同天区找到了65条发射线而已,而且也并未记录下乙醇醛的身影。

哈勃空间望远镜拍下的猫爪星云以及NGC 6334I在其中的位置,下方是ALMA(蓝色)和赫歇尔(灰色)在第10波段刚刚获取的频谱。图片提供:S. Lipinski/NASA & ESA, NAOJ, NRAO/AUI/NSF, B. McGuire et al.

说来这倒不是星际乙醇醛的第一次露面。更早些时候,ALMA在太阳级原恒星IRAS 16293-2422周围就找到了这种分子的低能激发线。通过估计单一的激发温度、谱线宽度和分子柱密度模拟乙醇醛的发射并同观测数据进行比对,天文学家发现,这处恒星形成区内的糖分可能是在冰态物质中形成,随后被激波诱发的喷溅等过程释放出来,并挥发为气体。

除了糖分,ALMA还通过对重水893.6 GHz基态跃迁线以及895.9 GHz更高能态跃迁线的观测,发现了NGC 6334I中的一对双极结构——受限于分辨率的赫歇尔又一次在ALMA面前甘败下风。这样的构造是从一颗(或一小簇)新生原恒星MM1B从两极发射出的喷流,其中富含水蒸气。重水的高能态跃迁辐射分布得较基态更加紧凑,对应的区域也应该更加温热。再结合甚大阵的羟基脉泽数据,这一区域的结构就变得很明白了——脉泽多数出现在高速喷流轰击周边气体的地方,而重水更明确地指出了喷流本身所在。

NGC 6334I中的重水喷流(蓝色)与连续谱辐射区(橙色)。图片提供:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO): NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

ALMA第10波段的这批结果还只是个“前导”项目,比起科学研究,更大的意义还在于检验接收机的性能指标。NGC 6334I的太赫兹观测自然无可辩驳地论证了仪器的能力,同时又说明了实验天体物理学的必要性——对复杂分子谱线的理论解释很大程度上要借住实验数据的积累,但是对于500 GHz以上的频段,相关实验的难度也是极高。在天体的高频面目逐渐显露的今天,保持天文观测与实验室研究的齐头并进也是必不可少的。

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