利用先驱者10/11飞船探测宇宙光学背景

( 今天在arxiv上最大的收获就是看到了这篇可爱的文章,虽然是一个很不熟悉的领域,但这个工作实在是太。。。怎么说呢,可爱了;至于为啥,相信你看了就会明白的;文章的科学目标是COB:宇宙光学背景,我猜大多数人和我一样,看到这个名称会比较摸不着头脑吧,这里就当科普一下吧,我尽量的尊重原文,尤其是介绍部分,坦率的说,我个人也有很多模糊的地方,希望大家留意 )

标题:Cosmic Optical Background: the View from Pioneer 10/11
作者:Y. Matsuoka, N. Ienaka, K. Kawara, S. Oyabu
论文索引:astro-ph:1106.4413
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

首先,Pioneer 10/11 是什么东西 ?

这篇工作最闪亮的地方当要数使用的设备和数据来源,与之相比,“宇宙光学背景”这个拉风的名字都无比的失色:本文使用的是 Pioneer 10/11 宇宙飞船上面的探测器收集的数据,如果你对这个名字没感觉的话,那么也许你更熟悉他的中文名称:先驱者10/11号,如果你对这个还没感觉的话,记不记得那个刻着光屁股男女的金盘子?Pioneer 10和11是一对双胞胎宇宙飞船,由著名的空间科学家 Van Allen 倡导,主要目的是做广泛的太阳系天体探测,Pioneer 10于1972年发射升空,是第一个穿过小行星带和第一个与木星做近距离交汇的宇宙飞船。Pioneer 11 于1973年发射,是第一架与土星近距离交汇的飞船,两架飞船虽然先后于1995年和2003年永远的和地球失去了联系,但根据估计,他们应该都已经达到了太阳系的边界;两架飞船都携带了大量的科学仪器,对从行星成像,行星际介质和太阳风,到宇宙线的广泛题目进行了研究。


fig1

Fig.1: 正在组装当中的 Pioneer 10 飞船

本文使用的主要设备叫做 Imaging Photopolarimeter (IPP),其光学系统是一架2.5cm口径的小马克苏托夫望远镜,装在飞船上,随飞船自身的旋转做扫描观测;观测在一红一蓝两个宽波段进行,同时还可以分别得到两个正交偏振分量的测量,所以这架小设备可以提供4个通道 (2波段,2偏振) 的数据;设备的视场是7.5平方度,飞船每12.5秒旋转一周,由于主要用于行星成像和背景测量,照相机不能很好的观测恒星天体,因此仪器的测光定标是利用飞船自身携带的一个C14同位素激发的磷光体进行的。


fig1

Fig.2: Pioneer 10/11上搭载的,也是本文使用的 IPP 仪器

其次,COB是啥 ?

对于宇宙某某背景,最为熟知的肯定是CMB,其次大概是CIB,Cosmic Infrared Background (可以看成是宇宙中所有非分辨出的星系的辐射在rest-frame infrared波段贡献的叠加,可以看这里),再者,所有做X-ray星系观测的同学肯定知道CXB,Cosmic X-ray Background (很大程度上可以归结为宇宙演化历史中的黑洞吸积光度的贡献,参考这里)。估计很多同学和我一样,对这个COB:Cosmic Optical Background 没有什么了解,当然他的定义也很直接,就是可见光波段的河外背景辐射,主要应该来自不同红移星系中的恒星辐射的累积的贡献,除此之外,AGN,包括恒星塌缩过程产生的辐射,甚至是某些粒子的衰变过程都可以对COB产生贡献。

之所以天文学家们对这些背景辐射如此痴迷,尤其是光学和红外波段,不仅是因为对“天空为什么是黑的”这样的问题的终极追问,更重要的是,这些背景辐射可能包含了宇宙中有恒星形成以来的星系演化活动累积贡献的化石证据,可以与已经被我们分辨出来的星系的总辐射贡献相对比,对星系形成演化模型提供限制。不过光学波段的河外辐射背景的测量是极其困难的,首先是地面观测,地球大气的辉光在亮度上比估计的背景强度高了好几个量级;即便有了空间设备的观测,依然有两个主要的问题限制着COB的测量,第一个就是太阳系的黄道光辐射,这些分布在黄道面上的尘埃散射太阳光的亮度依然比COB高了很多很多,这部分“污染“用ZL (Zodiacal Light) 表示;出去ZL的影响,我们的银河系也不是省油的灯, Diffuse Galactic light (DGL),即被银河系中尘埃散射的星光的贡献。所以,简单的说,I_{COB} = I_{tot} - I_{ZL} - I_{DGL}, 如果能够在空间观测中对这两个主要污染做比较好的限制,确实是可能对COB进行测量的。

早期的一些尝试并不成功,包括早在1983年就有人想到利用Pioneer的数据测量COB,还有人利用银河系中暗星云和附近不同视线处的观测进行测量,但这些工作都因为我们对银河系中的恒星辐射,DGL的模型不够清楚而失败;近期的比较重要的COB观测是R.Bernstein和W.Freedman, B.Madore等人在2002开始利用HST观测进行的工作,这组工作最后的更新是在2007年对之前模型中的误差的改进 (虽然利用的是HST的空间观测,但黄道辐射的模型依赖的还是Las Campanas天文台的地面观测)。基于这个工作,在 0.30, 0.55和0.80微米处,COB的辐射强度 (6 ± 4), (10 ± 5), and (7 ± 4) bgu,这里的bgu是Backgrund Unit,1 bgu 对应 1.0 \times {10}^{-9} {erg} s^{-1} {cm}^{-2} {sr}^{-1} {\AA}^{-1}

本文工作

本文之所以重新把30多年前的观测数据“刨”出来重新进行测量有两个主要的原因;第一,Pioneer 10/11的测量有非常独特的优势,就是这些数据是在距离地球 1-5 AU 的地方获得的,这些数据本来就是为了研究星际辐射,包括产生黄道光的尘埃的分布而获得的,这些数据显示,在3.2AU以外,黄道光的贡献变的小了很多;第二,就是在数据处理和对银河系恒星的贡献掌握的更好了,有改善结果的可能。

关于IPP的数据处理,这里就不特别说明了,因为大家实在是用不到;唯一说明的就是,在把所有观测合成为一个COB分布图之前,每个单独的视场观测中都事先扣除了已知恒星的贡献。得到的主要数据就是前面提到的4组流量测量:{S_B}^S, {S_B}^P, {S_R}^S, {S_R}^P,其中B和R指的是红蓝两个波段,S, P是两个不同的偏振方向。理论上这里不同偏振给出的流量应该是非常接近的,整体的背景辐射强度分布在 30-90 bgu之间 (未扣除任何“污染”成分)。


fig1

Fig.3: Pioneer 10/11的4组流量测量的分布


fig1

Fig.4: Pioneer 10/11 的IPP B波段构建的背景辐射分布图,左右图中心分别对应北,南银极方向。图象上百的黑白分别对应30和75 bgu。

主要结论

在仔细的处理了这些30年前的数据之后,一共有70%的数据被认为可以用来进行有效的测量,而且最终只使用了较高银纬处的数据 ( |b|>35.0 度),测量误差在 1%-2% 之间。首先利用了Tycho-2和HST GSC (Guide Star Catalog)这两个亮星表把已知的亮星辐射扣除,在探测极限一下,没有分辨出来的暗星则利用 TRILEGAL 星族合成模型来考虑 (虽然其贡献非常的小)。DGL成分则利用和 IRAS – COBE/DIRBE 红外卫星在100微米处的观测的相关扣除 (见下图)。最终剩下的成分,作者认为就是真正的COB成分。


fig1

Fig.5: IPP观测到的弥散辐射成分与IRAS-DIRBE 100 微米的远红外观测流量的相关,图中红色的圆圈位置对应于一定bin中的平均值,圆圈的大小代表了bin中数据点的多少;绿色的直线是利用红外流量高于一定值处做拟合d呃结果,并外推到了低流量区域。垂直的绿色虚线对应于IRAS得到的红外背景强度的值,而阴影区域就是扣除了这种相关后的残余的1 sgima 范围,也就是COB的强度

本文得到的COB强度在IPP的蓝和红两个波段上分别是1.8 ± 0.9和1.2 ± 0.9 bgu,结合上和观测到的星系的整体光度的贡献,这个背景强度似乎主要是由普通的星系中的恒星贡献的,而且这些星系应该已经完全能够被现在的深场空间观测所分辨出来,换句话说,就是在COB中,应该没有所谓的第一代恒星,或者说第一代星系贡献的余地。

此外,除去COB的测量,本文得到的DGL成分也有所发现,利用两个波段的DGL辐射和100微米远红外观测的流量比 (或者可以直接理解为颜色) 是比较“红”的,这和之前的一些在尘埃比较致密的区域观测的结果大体上相符合,简单的说,就是银河系中的弥散光学辐射存在一个比较红的成分 (Extended Red Emission),也所是这个观测结论的一个新的证据吧。


fig1

Fig.6: 多波段不同仪器得到的宇宙背景辐射强度的谱能量分布,本文的数据点也在其中,下次再有人拿“天空为啥是黑的?”来烦你,可以考虑直接给他看这张图。

延伸阅读

  • 1. NASA的Pioneer 10/11任务主页
  • 2. Rene Fassbender 关于各波段宇宙背景辐射的讲座 (推荐)
  • 3. Bernstein 2007 年关于早期COB测量的修正的工作
    • 分享到:

    5 Replies to “利用先驱者10/11飞船探测宇宙光学背景”

    1. Lei Hou

      Firefox 4.0 Linux

      两点问题:1、图三中R波段pioneer 10 S偏振观测的流量分布和11的结果不同,和P偏振的结果也不同,说明什么?2、图5中阴影是红点减去绿线(线性拟合结果)的结果,是吗?这首先假设了DGL产生的100微米辐射和光学辐射是正比的;其次,100微米处受到河外背景的影响大么?

    Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *