致密射電源0223+341和0248+430的毫角秒尺度偏振研究

李宇航，張海燕，陳如榮，陳天祿

(1. 西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩 850000；2. 西藏大學(xué)宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000；3. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101；4. 中國科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101; 5. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

致密陡譜源和吉赫茲峰譜源是光學(xué)薄區(qū)域譜指數(shù)α≥0.5(S∝ν-α)的致密射電源，分別約占河外射電源數(shù)量的30%和10%。其中致密陡譜源的線尺度為1～20 kpc，而吉赫茲峰譜源一般小于1 kpc。由于同步自吸收或自由吸收效應(yīng)，它們的射電頻譜出現(xiàn)低頻反轉(zhuǎn)，并導(dǎo)致峰形結(jié)構(gòu)，其中致密陡譜源的峰值頻率一般在500 MHz以下，而吉赫茲峰譜源的峰值頻率在500 MHz～10 GHz之間[1]。關(guān)于致密陡譜源和吉赫茲峰譜源，目前有3個(gè)主流假說：(1)吉赫茲峰譜源是比較年輕的射電源，處于演化的早期，未來會演化成致密陡譜源；(2)吉赫茲峰譜源和致密陡譜源與周圍稠密的介質(zhì)有較強(qiáng)烈的相互作用，從而限制了它們的尺度；(3)吉赫茲峰譜源可能是暫現(xiàn)源或間歇源。因此，對致密陡譜源和吉赫茲峰譜源射電結(jié)構(gòu)和輻射情況的研究，可以促進(jìn)我們對它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)、演化和周圍物理環(huán)境的認(rèn)識[2-3]。此外，由于它們與周圍星系介質(zhì)有較強(qiáng)的相互作用，通過偏振觀測可以得到源的偏振情況，從而反推磁場結(jié)構(gòu)，更加深入地了解源噴流和介質(zhì)的相互作用[2-4]。

我們從文[5]在1996年開展的美國甚長基線干涉陣5 GHz觀測項(xiàng)目中選取射電源0223+341和0248+430進(jìn)行研究，它們的光學(xué)類型和紅移見表1。源0223+341射電譜的反轉(zhuǎn)頻率為250 MHz，反轉(zhuǎn)部分(ν>νm)的譜指數(shù)約為0.6，且射電結(jié)構(gòu)整體尺度達(dá)8 kpc[1]，屬于致密陡譜源。1.66 GHz頻段的甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)顯示，該源有kpc尺度的結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)明亮的大尺度結(jié)構(gòu)，并在西南方向相距約500 mas處有一個(gè)更大尺度的射電瓣，其上有微弱的射電節(jié)點(diǎn)[6]。5 GHz頻段甚長基線干涉陣觀測顯示，東北部明亮的部分主要由兩個(gè)比較扭曲的結(jié)構(gòu)組成，未觀測到射電核[5-7]。8 GHz，15 GHz和23 GHz頻段的甚長基線干涉陣和甚大陣(Very Large Array, VLA)觀測顯示，射電核靠近西南部分，射電瓣向西南方向延伸，有一定的偏振輻射[8]，而東北部明亮的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分解為兩個(gè)熱斑[9]。源0248+430射電譜的反轉(zhuǎn)頻率為5 GHz，反轉(zhuǎn)部分(ν>νm)的譜指數(shù)約為0.8，且射電結(jié)構(gòu)整體尺寸為0.47 kpc[1]，屬于吉赫茲峰譜源。1.66 GHz和5 GHz頻段的甚長基線干涉陣觀測顯示，它呈現(xiàn)單側(cè)核-噴流結(jié)構(gòu)，噴流向東南方向延伸，結(jié)構(gòu)較扭曲，有明顯的節(jié)點(diǎn)，核射電輻射占主導(dǎo)[5,10]。15 GHz頻段的甚長基線干涉陣觀測顯示，大尺度的噴流結(jié)構(gòu)被分解為小尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)，噴流方向仍有較明亮的節(jié)點(diǎn)[11]。5 GHz和15 GHz頻段的甚大陣偏振觀測得到該源在這兩個(gè)頻段的偏振度均約為1%[12]。這兩個(gè)源毫角秒尺度有明顯的噴流，形態(tài)結(jié)構(gòu)比較扭曲，便于研究源與周圍介質(zhì)的相互作用。美國國家射電天文臺1.4 GHz頻段的甚大陣巡天項(xiàng)目(NRAO VLA Sky Survey, NVSS)觀測到這兩個(gè)源有一定的偏振輻射[13]。目前針對這兩個(gè)源的5 GHz頻段偏振觀測不多，通過甚長基線干涉陣5 GHz的偏振觀測，我們可以得到它們毫角秒尺度的射電輻射強(qiáng)度圖和偏振圖，進(jìn)而研究它們的射電結(jié)構(gòu)、偏振情況和磁場結(jié)構(gòu)，并分析噴流與介質(zhì)的相互作用。本文采用的哈勃常數(shù)H0=71 km·s-1·Mpc-1，物質(zhì)密度參數(shù)Ωm=0.27，暗能量密度參數(shù)ΩΛ=0.73。

1 觀測與數(shù)據(jù)處理

2004年2月25日，我們利用甚長基線干涉陣的10面天線對射電源0223+341和0248+430進(jìn)行觀測，觀測代碼為BZ031。兩個(gè)源分別進(jìn)行了3次觀測，每次時(shí)長7～8 min，觀測采用雙偏振模式，觀測頻率為5 GHz，分為4個(gè)中頻，每個(gè)中頻有16個(gè)通道，通道帶寬為8 MHz，1 bit量化。觀測數(shù)據(jù)由位于美國索科里(Socorro)的FX架構(gòu)相關(guān)處理器進(jìn)行相關(guān)，輸出UVFITS數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理[14]。

我們參照AIPS(Astronomical Image Processing System)軟件包的使用說明[15]，利用AIPS對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯、幅度預(yù)校準(zhǔn)、視差角校準(zhǔn)、帶通校準(zhǔn)、儀器相位校準(zhǔn)和條紋擬合等步驟，然后將數(shù)據(jù)平均，再進(jìn)行校準(zhǔn)并編輯數(shù)據(jù)，然后自校準(zhǔn)和成圖。之后我們利用源DA193進(jìn)行設(shè)備偏振(D-term)改正，并利用源1308+326進(jìn)行絕對偏振位置角改正(甚長基線干涉陣/甚大陣偏振角校準(zhǔn)網(wǎng)站http://www.aoc.nrao.edu/～smyers/calibration/)，獲得偏振分布圖。

2 結(jié)果和分析

通過數(shù)據(jù)處理得到兩個(gè)目標(biāo)源在4.6 GHz頻率的總流量和偏振觀測結(jié)果，見表1。其中第1列為源名稱；第2列為光學(xué)類型；第3列為赤經(jīng)；第4列為赤緯；第5列為紅移；第6列為總流量；第7列為偏振流量；第8列為偏振度。

表1 4.6 GHz頻率的甚長基線干涉陣觀測結(jié)果

我們使用AIPS的JMFIT命令對兩個(gè)目標(biāo)源進(jìn)行高斯擬合，得到模型擬合結(jié)果見表2。其中第1列為源名稱；第2列為源成分；第3、4列分別為源成分的半長軸和半短軸；第5列為長軸的方向角；第6列為總流量。

表2 模型擬合結(jié)果

2.1 0223+341

圖1(a)和(b)分別為疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振流量灰度分布和偏振矢量分布(1 mas=7.898 pc)。流量結(jié)構(gòu)主要由位于東部和北部的E1和E2兩個(gè)強(qiáng)輻射部分組成，輻射流量分別占總流量的79.6%和10.9%。在西南方向觀測到一些射電斑點(diǎn)，我們推測射電結(jié)構(gòu)向西南方向延伸，符合已有的觀測結(jié)果[5,7]，該源的射電結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。其中文[5]甚長基線干涉陣觀測得到的總流量為1.7 Jy，文[7]甚長基線干涉陣觀測得到的總流量為1.5 Jy，而本次觀測得到的總流量為1.52 Jy，變化不大，他們利用5 GHz和1.7 GHz的觀測數(shù)據(jù)得到了E1和E2的譜指數(shù)，分別為-0.3和0，并根據(jù)譜指數(shù)和扭曲的結(jié)構(gòu)推測E1和E2為熱斑。而在文[9]15 GHz甚長基線干涉陣觀測得到的14 mas2范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)中只保留了E1和E2，其余部分被分解了，可見射電核并不在展示的結(jié)構(gòu)中。文[8]23 GHz頻段的觀測顯示核心位于該結(jié)構(gòu)的西南方向約400 mas(3.16 kpc)處，不在圖1展示的范圍內(nèi)。

文[7]甚大陣的偏振觀測沒有得到明顯的偏振結(jié)構(gòu)，偏振度小于0.6%。而本文首次得到了源0223+341在4.6 GHz的毫角秒尺度偏振結(jié)構(gòu)。圖1(a)顯示該源偏振流量集中在E1東北部，峰值亮度為5.65 mJy/beam(對應(yīng)13σ， rms=0.43 mJy/beam)。圖1(b)顯示其有一定的偏振結(jié)構(gòu)，偏振矢量1 mas=3.125 mJy/beam。偏振方向?yàn)闁|北-西南方向，且無明顯變化，并由E1向E2延伸，偏振度為1.18%，比較低，可能是有限的分辨率或周圍介質(zhì)的影響導(dǎo)致消偏振效應(yīng)。本文利用IVS觀測數(shù)據(jù)庫(http://astrogeo.org/calib/search.html)，參考該源1996年2.3 GHz和8.3 GHz的甚長基線干涉陣觀測圖像計(jì)算了譜指數(shù)分布，偏振區(qū)域的譜指數(shù)分布在-0.6～0.02范圍內(nèi)，比較符合文[7]的結(jié)果。E1大部分區(qū)域和E2未觀測到明顯的偏振輻射，我們推測它們周圍有濃密的介質(zhì)，產(chǎn)生較強(qiáng)的消偏振效應(yīng)，有限的分辨率也是可能的原因。

圖1 0223+341。(a)疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振流量灰度分布圖。波束為3.3 mas × 1.8 mas，位置角為-12.92°，輻射強(qiáng)度圖峰值流量為0.797 Jy/beam，等強(qiáng)度線依次為峰值流量的-0.5%, 0.7%, 1%, 2%, 5%, 10%, 25%, 50%和99%，灰度色標(biāo)單位為mJy/beam。(b)疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振矢量分布圖，參數(shù)與圖(a)相同

2.2 0248+430

圖2(a)和(b)分別為疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振流量灰度分布圖和偏振矢量分布圖(1 mas=8.448 pc)。源射電結(jié)構(gòu)主要由射電核心區(qū)域C、噴流B和節(jié)點(diǎn)A組成，呈現(xiàn)典型的單側(cè)核-噴流結(jié)構(gòu)，噴流方向?yàn)?50°。射電輻射由C部分射電核主導(dǎo)，輻射流量占總流量的80.4%，A和B部分各占10.9%和8.7%。本次得到的射電結(jié)構(gòu)符合已有的結(jié)果[5,16]，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。射電流量方面，文[5]甚長基線干涉陣觀測得到的總流量為1.4 Jy，而本次測得的總流量為1.12 Jy，變化不大。A處射電節(jié)點(diǎn)可能是噴流與周圍介質(zhì)相互作用的結(jié)果，介質(zhì)環(huán)境可能比B處更復(fù)雜。

本文首次得到了該源4.6 GHz觀測頻率的毫角秒尺度偏振結(jié)構(gòu)。 圖2(a)顯示偏振流量集中在射電核靠近噴流的部分，偏振峰值流量為7.12 mJy/beam(對應(yīng)14σ, rms=0.51 mJy/beam)，偏振矢量1 mas=3.125 mJy/beam。圖2(b)顯示其有較簡單的偏振結(jié)構(gòu)，偏振度達(dá)4%，偏振方向基本與噴流方向平行。本文利用IVS觀測數(shù)據(jù)庫，參考該源1996年2.3 GHz和8.3 GHz的甚長基線干涉陣觀測圖像計(jì)算了譜指數(shù)分布，偏振區(qū)域的譜指數(shù)分布在-0.3～0.1范圍內(nèi)。該源總體的偏振度為3.87%(見表1)，而文[12]利用甚大陣于1981年觀測得到的偏振度為0.9%，本文結(jié)果高了近3%。本文結(jié)果顯示，噴流和節(jié)點(diǎn)沒有明顯的磁場和偏振，周圍可能有濃密的介質(zhì)，而有限的分辨率也會造成低偏振度的觀測結(jié)果。

圖2 0248+430。(a)疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振流量灰度分布圖。波束為3.8 mas × 1.8 mas，位置角為-15.01°，輻射強(qiáng)度圖峰值流量為0.79 Jy/beam，等強(qiáng)度線依次為峰值流量的-0.08%, 0.25%, 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10%, 25%, 50%和99%，灰度色標(biāo)單位為mJy/beam。(b)疊加在輻射強(qiáng)度圖上的偏振矢量分布圖，參數(shù)與圖(a)相同。A節(jié)點(diǎn)；B噴流；C射電核

3 結(jié)論與展望

本文通過4.6 GHz的甚長基線干涉測量偏振觀測，對目標(biāo)源0223+341和0248+430的射電結(jié)構(gòu)和偏振性質(zhì)進(jìn)行了研究。源0223+341的射電結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)可能是熱斑的部分組成，沒有探測到射電核，射電輻射由其中一個(gè)熱斑主導(dǎo)。源0248+430呈單側(cè)核-噴流結(jié)構(gòu)，射電核和噴流幾乎成一條直線，但有較大尺度的節(jié)點(diǎn)，噴流的準(zhǔn)直性與以往的觀測結(jié)果相比有所提高。兩個(gè)目標(biāo)源的射電結(jié)構(gòu)大體符合以往的觀測結(jié)果，輻射總流量也與已有的結(jié)果相近，射電結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

偏振方面，本文首次得到了源0223+341和0248+430的4.6 GHz毫角秒尺度的偏振結(jié)構(gòu)。源0223+341的偏振度為1.18%，偏振結(jié)構(gòu)比較簡單，集中在一個(gè)熱斑處，觀測得到較微弱的偏振輻射，周圍介質(zhì)可能比較濃密。源0248+430的偏振輻射集中在射電核附近，偏振流量變化較大。由于光深和旋轉(zhuǎn)測量的限制，無法精確反推這兩個(gè)源的內(nèi)稟磁場結(jié)構(gòu)，有待進(jìn)行其他高頻段的偏振觀測，進(jìn)一步研究分析。

源0223+341和0248+430的偏振度都比較低。文[1-2]收集了一系列致密陡譜源和吉赫茲峰譜源的偏振觀測結(jié)果后指出，在5 GHz觀測頻段這兩類源的偏振度一般較低，且偏振度隨著觀測頻率的增大而增大，這表明低觀測頻段產(chǎn)生低偏振度結(jié)果的原因可能是有限的分辨率或周圍濃密介質(zhì)產(chǎn)生的消偏振效應(yīng)引起的。文[7]對一系列致密陡譜源進(jìn)行5 GHz頻率的偏振觀測后也指出，其研究的大部分致密陡譜源的偏振度較低。本文研究的低偏振度觀測結(jié)果符合他們的結(jié)論。

單頻觀測得到的信息有限，我們在下一步的工作中會給出多頻的觀測結(jié)果，得到基于本次觀測數(shù)據(jù)的源譜指數(shù)分布和旋轉(zhuǎn)測量值分布，進(jìn)一步探究這些射電源的物理性質(zhì)以及與介質(zhì)的相互作用情況。

致謝：本文使用了美國甚長基線干涉陣的觀測數(shù)據(jù)，甚長基線干涉陣屬于美國國家射電天文臺，由美國聯(lián)合大學(xué)管理，美國國家自然科學(xué)基金資助。在數(shù)據(jù)處理過程中使用了軟件包AIPS，由美國國家射電天文臺提供。