天马行空录第29期.pdf

行空录 主办单位：中国科学院上海天文台 2021 年 6 月 30 日 第 29 期 总第 29 期 【科学观测动态】天马望远镜参与获得对 M87 开展前所未有的多波段同步 观测成果 2019 年 4 月 16 日，科学家发布了人类有史以来第一张黑洞照片。这一卓越成就是通过事件视界望远镜 （EHT）于 2017 年 4 月对 M87 星系中央超大质量黑洞的观测获得的。然而，这仅仅是这个科学故事的开始。 上海天文台牵头组织协调中国学者（包括 8 位上海天文台研究人员）参与了此次的 EHT 合作。期间，EHT 国 内牵头人上海天文台沈志强研究员领导天马望远镜团队，在 2017 年 EHT 观测前夕完成对天马望远镜在 13 mm 和 7 mm 两个波段的 VLBI 系统调试以及低频波段的检查，成功组织天马望远镜参加 2017 年 3 月至 5 月的 EHT 同步多波段 VLBI 国际联测及后续数据分析等。 来 自 32 个 国 家 或 地 区 近 200 个 科 研 机 构 的 760 名 科 学 家 和 工 程 师 组 成 的 团 队 ， 使 用 19 台 望 远 镜 （阵），成功汇集了 2017 年 3 月底至 4 月中旬的观测数据。在对 M87 的 EHT 观测期间，全球科学家通过协 调地面和太空中最先进的望远镜，同步收集到了整个电磁波谱范围内的辐射，这是迄今为止对超大质量黑洞 及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。此次发布的结果发表在《天体物理学杂志通讯》上。天马望远镜参与 了 2 个望远镜阵、3 个波段的同步观测，包括 2017 年 5 月 9 日的欧洲 VLBI 网（EVN）170 mm 观测，并贡献 了最高分辨率基线（见图 1）。同时，作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，天马望远镜全程参与 了 2017 年 3 月至 5 月期间东亚 VLBI 网（EAVN）在 13 mm 和 7 mm 对 M87 共 14 次 EHT 协同观测。这是中国 射电望远镜在 7 mm 工作波长首次成功参加国际 VLBI 联合观测。对于距离地球约 5500 万光年的 M87 中心的 这个 65 亿倍太阳质量的黑洞，每台望远镜都提供了有关其物理行为和影响的独特信息。 注：天马射电望远镜参加了其中 EVN 的 170 mm 和 EAVN 的 13 mm 及 7 mm 观测。图片来源：EHT 合作组织多波段工作组。 图1 M87 的多波段观测结果 此次公开的来自 19 台望远镜（阵）的数据将极大地加深人们对这个黑洞中央引擎及其系统的理解，并提 升对爱因斯坦广义相对论的检验。观测表明，当时 M87 超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记 录以来的最低水平。这为看黑洞的“阴影”提供了理想的条件，同时便于区分开接近事件视界的区域和离黑 洞数万光年尺度以外的辐射（比如高能伽马射线的起源）。此研究表明，至少 2017 年这些伽马射线不是在事 件视界附近产生的。 -1- 这批新的数据宝库的公开恰逢 EHT 的 2021 年观测，这还是自 2018 年以来的首次 EHT 观测。与 2017 年 相 比 ， 该 阵 列 新 增 了 三 台 望 远 镜 — — 格 陵 兰 望 远 镜 、 基 特 峰 12 米 望 远 镜 和 北 方 扩 展 毫 米 波 阵 列 （NOEMA）。天马望远镜继续参与了 2021 年的东亚 VLBI 网（EAVN）联测。未来，天马望远镜仍将积极参与 到这类国际合作中，对包括 M87 在内的更多黑洞天体进行监测。 【科学观测动态】天马望远镜圆满完成天问一号火星车定位和环绕器测轨 天问一号祝融号火星车于 2021 年 5 月 15 日成功着陆于火星乌托邦平原。为了给火星车精确定位，2021 年 5 月 27 日、5 月 28 日、6 月 1 日、6 月 4 日，VLBI 分系统开展了 4 次火星车和环绕器间的同波束 VLBI 观 测，获得了 4 段各约 20 分钟的差分相时延有效数据。VLBI 分系统利用同波束 VLBI 差分相时延数据对火星 车进行了定位，其随机误差约为 1 ps。火星车定位使用了两种策略，策略 1 为固定高程只解算经度和纬度 2 个参量，策略 2 为不加约束解算经度、纬度和高程 3 个参量，定位结果与视觉定位结果的差异为千米量级， VLBI 分系统圆满完成了火星车定位任务。同时，天马望远镜继续执行天问一号环绕器测轨任务。截止 2021 年 6 月 30 日，天马望远镜共进行了 201 次观测，圆满完成包括火星车着陆在内的各测控段测定轨任务。 【科学观测动态】大质量恒星形成早期阶段的化学演化研究 大质量恒星形成的早期阶段决定了大质量恒星的后续演化，与大质量恒星形成早期阶段相关的许多重要 前沿问题一直是国际学术领域关注的热点，特别是大质量恒星形成早期阶段的化学演化及其与大质量恒星形 成的关系，至今依然没有定论。红外暗云是一种超低温（绝对零度以上 10—30 度）、冷暗致密的星际物质聚 合体，是恒星形成和星际化学演化的主要场所，是研究大质量恒星形成早期阶段的理想样本。 2019 年 1 月及 3 月，国家天文台科研人员使用天马望远镜的 position switching (PS)的观测模式对一 个包含了银河系内几十个红外暗云的大样本进行了 K 波段分子谱线观测工作。该大样本的选择基于质量形态 等物理特征，其对于红外暗云具有代表意义。主要的探测目标谱线是三条具有很强化学表征性的分子探针： 氨分子（NH3）、一硫化二碳（CCS）和氰基乙炔（HC3N）。这三者的组合可以敏感地示踪冷暗气体的化学演 化时标。其中 CCS 是极早期冷暗气体的重要化学成分，此前仅在 8 个红外暗云中探测到了 CCS。本研究工作 则将 CCS 红外暗云样本从 8 个增加到 23 个，大大增加了红外暗云中碳链分子和含氮分子的统计意义。天马望 远镜可长期稳定工作，且相较于此前的观测整体上具有更高的灵敏度，从而为探测结果提供了有力保障。国 家天文台科研人员还通过天体化学数值模拟与观测数据的对比，有效确定了红外暗云的红学演化时标，证实 了这些具有较高密度的暗云团块相当年轻。相关研究成果发表在 Science China Physics, Mechanics and Astronomy （谢津津等，2021,64: 279511）。 注：左图为探测到的谱线的示例（红外暗云 SDC18.787-0.286），背景为红外波段（WISE 天文卫星在 3.5~22 微米波长范围内的公开数 据）图像，黄色圆圈表示天马望远镜的波束覆盖范围；右图为化学模型与观测数据的对比，节点数字标记了演化年龄（单位为年）。 图2 利用天马望远镜对红外暗云 K 波段的观测结果 【科学观测动态】天马射电望远镜团组磁星研究再获新进展 磁星是宇宙中一类具有超强磁场的特殊天体，其磁场强度可达 10 ~10 高斯，为地球磁场的百万亿倍以 14 15 -2- 上。目前人们仅发现 31 颗磁星及其候选体，它们通常表现为软γ射线重复暴和反常 X 射线脉冲星，其中仅 6 颗磁星探测到射电波段辐射，可谓少之又少。和常规脉冲星相比，磁星具有剧烈的高能现象、多样的辐射 轮廓、频繁的自转变化等显著特点。无论是磁星的辐射还是其结构、演化等基本问题一直是天文学研究的前 沿热点。 继上次成功探测到银河系中心黑洞周围磁星 PSR J1745-2900 的射电爆发后，天马射电望远镜团组又取 得了磁星 Swift J1818.0-1607 观测研究的新进展。此磁星于 2020 年 3 月 12 日因 X 射线爆发被首次发现， 随后观测证实其具有持续的射电辐射，后续全球多台大型射电望远镜均将它列为重要观测目标。天马望远镜 对该磁星进行双频率（2.25 GHz 和 8.60 GHz）同时监测研究，取得如下阶段性成果。 （1）仅用一台望远镜（即天马望远镜）对该磁星实现了频率覆盖跨度高达 6 GHz 的双频同时观测。尽 管国内外研究者已在多个频率对它观测，但多频同时观测资料非常稀缺。由于磁星辐射随时间多变且不可预 测，非同时获得的多频资料无法准确揭示它的辐射随频率变化规律。不同频率辐射来自不同高度的辐射区 域，因而多频平均轮廓能以“立体”视角反映磁星辐射信息。天马望远镜除了探测到这颗磁星较常见的单峰 和双峰平均轮廓外，还多次观测到鲜有报道的“三峰”平均轮廓。研究发现其 2.25 GHz 和 8.60 GHz 的平均 轮廓变化在绝大多数情况下并不同步，这表明辐射随时间和频率变化的复杂性。 （2）天马望远镜团组用更长时间跨度（约为已发表最长跨度的两倍）的观测资料证实该磁星自转频率随 时间减慢趋势和自转频率导数准周期震荡现象，成功拟合了自转频率长期变化的一阶导数，从而推导出更精 确的特征年龄（约 522 年）。 （3）团组通过精确监测发现该磁星 2.25 GHz 和 8.60 GHz 流量随时间逐渐增大同时能谱逐渐变平，解 释了 X 射线爆发后的 27 天内未能探测到其 8.0 GHz 以上积分轮廓的原因。 （4）团组发现了该磁星有别于帕克斯望远镜邻近时段的模式变换现象。所谓模式变换是少数脉冲星类天 体在两个（及以上）亚稳态辐射之间快速“变脸”现象。尽管和澳大利亚帕克斯望远镜的观测仅仅相隔 3 天，天马望远镜 2020 年 7 月 21 号探测到的模式变换现象却伴有剧烈的流量变化。 来自广州大学、北京师范大学、中国科学院新疆天文台、贵州师范大学、中国科学院高能物理研究所等 单位的多位研究者参与了这项工作。研究成果已经刊发在 2021 年 505 卷 1 期的《英国皇家天文学会月刊》 (MNRAS)。有关磁星的后续监测还在天马望远镜上进行着，并将进一步揭示这类天体的奥秘。 【技术维护与进展】天线机械结构维保 2020 年底至 2021 年初，天马望远镜副面 6 杆并联机构在气温低于 -5℃ 时出现 2 次卡死现象。针对该 问题，中国科学院上海天文台联合中国电子科技集团公司第五十四研究所，对其中的一个备用分支在水平放 置无负载状态下共进行了 4 组试验：分支润滑前和润滑后的常温（25℃）和低温（-6℃）试验。由试验数据 对比发现，润滑后低温试验的过载时间由润滑前的 2.2 s 将至 0.93 s，经分析初步认为机构可运行约 10 年，部分位置因润滑不到位导致低温运行不顺畅，后续将在 2021 年 8 月份进行一次彻底维保，同时在石家 庄冬天低温时对备用分支加负载继续进行试验分析。 【技术维护与进展】主反射面面型丢失检测方法——增益法 针对天马望远镜历史上出现的 4 次主反射面面型丢失的问题，主动面项目组提出一种新主反射面面型丢 失检测方法——增益法，具体做法为：1) 在天线面型控制上位机 SCU 的 SRControl 控制页面设定主动面状 态为 “off”，此时主反射面面型回到 50 度基准模型，在高频段（Q 波段）对强射电源（如 3C84 或 dr21） 进行十字扫描，修正指向后得到高斯波形 1。2) 在天线面型控制上位机 SCU 的 SRControl 控制页面设定主 动面状态为 “on”，并勾选“Enable ActiveFace”选项，此时面型将根据俯仰位置调整到相应的面型，在 高频段（Q 波段）对强射电源（如 3C84 或 dr21）进行十字扫描，修正指向后得到高斯波形 2。3) 在高低仰 角处，高斯波形 2 的峰值应明显高于高斯波形 1 中的峰值。 2021 年 6 月 23 日，主动面项目组使用指向源 3C84，在方位角 40°，俯仰角 70°左右进行了增益法的实 -3- 验验证。图 3 中红色框部分为主动面为 on 状态下测出的增益曲线，绿色框部分为主动面为 off 状态下测出 的增益曲线。从图 3 可以看出，主动面在处于 on 状态时的增益曲线峰值明显高于 off 状态下的增益曲线峰 值。此结果证实了增益法的有效性。该检测方法为快速判断主反射面面型是否丢失提供了一条新的途径。 图 3 增益法实测曲线 【技术维护与进展】天马望远镜健康监测系统 2016 年项目组在天马望远镜上搭建了结构振动测量系统，主要用于结构故障诊断和预报及监测风载荷引 起的结构振动。2021 年项目组在该系统的基础上开发了天马望远镜振动感知系统。新系统通过对天线上加速 度传感器的数据采集和分析，提供警报以及远程、跨平台、多用户、实时监视功能。振动感知系统的简明拓 扑图见图 4。 此系统工作方式的简要描述为：1) 首先利用 REFTEK 130 设备将原始数据采集到天马站的计算机中，再 通过SMB协议将数据目录共享到振动感知系统所在设备；2) 原始数据的解析和存储主要由 Vibration Transporter 服务栈实现，该服务栈具有服务跨平台、一键式配置及快速迁移等优点；3) vibrationsampler 将原始 数据解析后 写入时序数 据库 Influxdb，Influxdb 为 Grafana 提供时 序数据服务 ，故 Grafana 可提供天马望远镜的振动状态显示、振动数据下载、振动故障警报功能；4) 综合以往发生故障时 的监测数据，选择监视馈源处的振动情况作为故障诊断的依据。利用该系统对 2017 年 7 月 30 日 17:00:14 发生故障时的数据进行测试，结果准确发出了警报，而且经过 2021 年 6 月以来的试运行，目前尚未发现误 报。后续将进一步改善用户体验与优化故障识别策略。 图4 振动感知系统的网络拓扑图与服务架构图 【观测运行动态】观测情况统计 2021 年 4—6 月，天马望远镜总运行时间为 2 283 h，其中单天线观测 971 h，VLBI 观测 1 087 h，各项 维护及测试 225 h。 中国科学院上海天文台 [网址] http://shao.ac.cn/ 编 辑： 何雯婷 签 发： 沈志强 王彩虹 [地址] 上海市徐汇区南丹路 80 号 审 核：刘庆会 [邮政编码] 200030 签 发：沈志强 -4-