SOFIA 的 THz 接收机 GREAT 相关的科学成果–AA专刊 (1)

( 对SOFIA 这架由美国和德国主导的大型的波音 747 机载红外望远镜, Astroleaks的忠实读者应该早已耳熟能详了. 经过半年的试运行调试, SOFIA 上最重要的科学仪器之一, German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT) 也早已通过测试,可以稳定的工作. 近期 A&A 正在准备发表一期专刊,来报道同 SOFIA/GREAT 接收机相关的首批科学成果. 近期在Astro-ph上也涌现了很多相关的文章. 如同上一期黄崧同学介绍的 SOFIA/FORCAST照相机 的相关科学,我在这里带领大家简单的领略一下 SOFIA/GREAT 相关的新科学. 由于 SOFIA/GREAT 相关科学面覆盖很广,而笔者对远红外的很多知识都不熟悉,因此只能对大部分内容”不明觉历”, 只好简单粗略的介绍一下,感兴趣的同学可以点进文章深入阅读.)

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一句话: 什么是SOFIA/GREAT,以及它的功能性能.

文章: GREAT: the SOFIA high-frequency heterodyne instrument
作者: S. Heyminck, U.U. Graf, R. Güsten, J. Stutzki, H.W. Hübers, P. Hartogh

GREAT 的简写就是 German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, 它是一个工作在远红外 (也即 THz) 波段的双色(频率) 超外差接收机, 具有非常高的谱分辨率. 自2011年4月1日安装完成以来已经进行了多次试运行. GREAT的前端接收机工作频率现在约为 从1250 GHz 到2500 GHz之间, 设计的最高频率将达到4770 GHz, 其设备还正在研发中. 而其后端频谱仪则可以使用多种类型,宽带声光频谱仪 AOS 将提供2x4x1GHz的总带宽, 频率分辨率为~1.6 MHz. 2个CTS 频谱仪虽然带宽只有 220 MHz, 但是频率分辨率达到56 KHz. 而最新的XFFTS 则提供了2.5GHz带宽以及88 KHz的频率分辨率,而且将来还将进一步升级频谱仪以提高分辨率.

观测模式: GREAT 提供经典的位置调制模式– position switching, 波束调制模式 — beam switching, 以及飞行扫描模式– OTF.
角分辨率: 在1250 GHz 左右, ~21''; 2500 GHz 左右, ~11.5 ''
主波束效率: ~50%-58%

Fig.1 GREAT接收机安装照片以及结构示意图

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一句话: GREAT 在THz的校准很复杂,但是还是做到了很棒的程度.

文章: GREAT/SOFIA atmospheric calibration
作者: Xin Guan, Ju ̈rgen Stutzki, Urs U. Graf, Rolf Gu ̈sten, Yoko Okada, Miguel Angel Requena Torres, Robert Simon, Helmut Wiesemeyer

现阶段SOFIA的观测飞行高度大概在8-14km之间, 在大部分频率波段,大气透过率都很好. 然而,在一些强吸收线的波段的附近,例如臭氧 O_3, CO等, 大气透过率则会变的很糟糕. 在这个大气高度下,水气含量 pwv 在比较好的情况下可以达到 几个\mum 到 50\mum. 在整个观测波段中,有很多窄的谱线,给校准过程带来了很大的麻烦. 鉴于SOFIA在天空飞行的高度,水气的影响很小,因此观测的校准更着重于对大气透过率的研究,而非简单的从pwv来判断不透明度.

即使可能有同学对具体的校准过程不感兴趣,但是个人依然非常推荐本文的附录部分, 其非常细致的给出了射电到THz波段的各种基础物理概念. 例如equivalent brightness temperature, Antenna temperatures, Main-beam brightness temperature, system temperature 等等. 严重建议将其打印下来挂在随手可取的地方.

Fig.2 大气光学厚度曲线. 上图为干燥情况下的预测,下图为潮湿情况下的预测,不同颜色代表不同模型.

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下面聊聊科学.

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由于SOFIA整体上还处于试运行,以及GREAT等仪器还存在各种优化和提升,因此绝大部分观测都将目光投向比较亮的河内源.

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一句话: 新的分子 SH 在W49N中处于 1383 GHz 的频率被发现了!

文章: Discovery of interstellar mercapto radicals (SH) with the GREAT instrument on SOFIA
作者: D. A. Neufeld, E. Falgarone, M. Gerin, B. Godard, E. Herbst, G. Pineau des Forets, A. I. Vasyunin, R. Gu ̈sten, H. Wiesemeyer, and O. Ricken

W49N 是银河系内最明亮的恒星形成区之一.大质量恒星的产生,伴随着很强的红外辐射以及亚毫米波段的发射, 也同时具有剧烈的同激波或者湍流相观测运动学性质. 而 SH 分子被期待如同CH^+以及SH^+类似,会在被激波或者湍流加热的气体成份中出现增丰.SH的临界密度大约为>10^7cm^{-3}, 可以示踪非常致密的气体成份. 作者将探测到的SH 同SH+,H2S, 等其它分子的发射进行了对比, 发现在类似的速度范围内,后两者并没有吸收线的出现. 并且作者将SH和H2S的比值同PDR模型,’C’- or ’J’-type 的激波等模型进行了比较,发现现有模型都无法给出合理答案. 更多的结果有待于下面近一步的研究.

Fig.3 SH首次在W49N中被探测到

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一句话: 用THz 氨分子吸收线研究内流.

文章 Terahertz ammonia absorption as a probe of infall in high-mass star forming clumps
作者: F. Wyrowski, R. Güsten, K. M. Menten, H. Wiesemeyer, B. Klein

内流(infall) 是大质量恒星形成不可逾越的关键, 特别在早期, 依靠持续的infall和吸积, 分子云才能从小团快逐渐生长成为大质量恒星. 然而infall 通常发生在很小的物理尺度上, 并且复杂的运动学结构经常会把旋转,速度梯度,外流, 不同速度成份的发射等因素混淆. 通常使用P-Cygni 的蓝不对称轮廓来区分内流. 这种做法经常被使用在低频 NH3 氨分子上, 背景的连续辐射通常是来自已经演化的HII区或者UCHII区的轫致辐射. 目前认为, 在大质量恒星形成区内分子云在形成恒星的早期,形成UCHII区之前, 据信会首先形成一个热(~100K)致密分子气体聚集成大约0.1 pc 尺度的分子云核. 云核内的尘埃发射在远红外THz波段很强, 但是由于处于恒星形成活动的极早期,其它波段和类型的发射都很弱. 因此通过THz的分子谱线吸收线来研究早期恒星形成团块的运动学特征则可以获取以往难以得到的信息. 作者通过将THz观测得到的NH3吸收线同低频NH3以及C^{17}O的发射线进行对比,从谱线轮廓上得到了infall 在THz 有P-Cygni谱线轮廓的特征, 由此,估算出infall 的速率大约为3-10\times10^{-3}M\odot/yr

Fig.4 红色上图是THz NH3 吸收线,下图是23GHz NH3发射线. 黑色是RATRAN模型. 虚线是C17O的线心速度.

篇幅有限,今天先介绍到这里,下一期将更集中的介绍 SOFIA/GREAT的相关科学.

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4 Replies to “SOFIA 的 THz 接收机 GREAT 相关的科学成果–AA专刊 (1)”

  1. 一鸣

    Firefox 11.0 Ubuntu;

    鸡蛋里挑一下骨头。OTF模式我看了下原文是on-the-fly,这个术语并不是指在飞行过程中怎么样,而是一个固定搭配,我也不知道怎么翻译比较好,大概可以认为是动态模式,或者是快速处理模式,ref:http://en.wikipedia.org/wiki/On_the_fly

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