观测经历

在Effelsberg 100米 望远镜观测的一周 (1)

(本文为我个人在Effelsberg 100m 望远镜的的部分观测经验:除了和大家共同分享一些经历外, 加入了一些射电望远镜单镜常用的校准的介绍. 本文将分为2个部分, 第一部分着重介绍射电望远镜和校准. 第二部分更多介绍Effelsberg 100m望远镜及我们在观测发生的各种状况. 文中有很多细节无法一一解释,请对射电望远镜和观测不熟悉的同学参考一些推荐的教材和网站。)

标题: 在Effelsberg 100米 望远镜观测的一周 (1)
作者: 张智昱 (紫金山天文台/MPIfR)

三月底, 春暖花开,冰河解冻,野熊撒欢, 德国的天气逐渐从乌云密布变成朗朗晴空. 微风或者无风, 加上晴天多水汽小, 正是射电波段 (狭义的的射电波段1-50GHz) 望远镜观测较高频率最合适的时间.

对于小于 100 GHz – Wband – 3 mm 的观测来说, 大气中的水分不像更高频率那样非常严重的影响观测. 但是由于在 50GHz 到 70 GHz 之间, 有一条非常宽的O2吸收线, 当大气湿度较大, 或者乌云密布的时候, 对 40 GHz – 7mm – Qband 的观测还是有很可观的影响, 见下图:

这次我帮导师观测他和他的合作者的一系列频率在 20 – 30 GHz 左右的观测项目. 在整整一个星期时间内, 几乎 24小时 x 7天都是我们的观测时间. 由于观测的课题相关的科学不便于发表在这里, 我简单的列举一下使用射电望远镜观测中常见的一些问题, 以及我们在这7天观测中遇到的一些特殊的问题. 如果有说的不清楚的或者错误的地方希望大家多多指正.

1. 仪器常见问题

射电望远镜常被分为前端(front end)和后端(back-end), 具体没有严格定义,. 前端主要指接收机部分, 有时也指接收机中被制冷的部分, 后端主要指频谱仪. 望远镜系统并不总是稳定的, 特别是在现今较好的望远镜都在不断的升级更新各种新的仪器, 这些新仪器装备在调试和运行开始的时候总会出现各种各样的问题.

前端常见的问题有:

1). 接收机无法锁频, 有时候LO (Local Oscillator, 用于制造人造高频信号 ) 无法稳定工作.
这时候可能切换所需谱线的边带, 从upper sideband 变成lower sideband, 或者反之可能可以解决问题.

2). 没有做好优化接收机的I-V曲线(响应曲线)的优化.
这时候可能需要 retune (重新调频).

3). 系统温度(system temperature Tsys)异常.
如果总遇到这个问题还是问操作助手或者project scientists吧.
不过我遇到过一次是源的连续谱特强, 所以Tsys也高. 这不算异常, 但是比没有连续谱背景的源的Tsys要高很多.

后端常见的问题有:

1). 拼接的频谱仪有台阶状响应(platforming)
这大部分情况下可以在数据处理中解决, 但是如果正好断层在信号上, 最好重新变换频谱仪的频率.

2). 频谱仪的边缘响应很差.
不要把重要谱线放在频谱仪的边缘. 请观测助手调整频谱仪的载荷, 或者重启频谱仪.

3). 频谱仪有坏通道 (bad channel)
使用频谱仪最高的通道数(channel number) 达到需要的带宽下最好的谱分辨率, 然后在数据处理中用内差方式去除bad channel.

2. 常用单镜观测校准 (calibration )

常见的射电单镜观测所需要的校准有: 流量校准(flux calibration); 对焦(focus); 指向(pointing); 边带响应校准(bandpass calibration); 谱线模式校准(line calibrator); 偏振校准( polarization calibration) 等.

1) flux calibration
这其实是做主波束效率或者月面效率校准, 分别对应与望远镜对点源和展源的响应能力/效率. 相对来说在测大部分源的时候, 都采用点源假设, 因此主波束效率\eta_{mb}尤其重要. 而在观测非常延展的源的时候, 由于旁瓣(side lobe) 的影响, 点源和展源的效率不同, 使用月面效率更为精确.
在大部分情况下, 几个月才会做一次主波束效率的测量. 也就是flux calibration. 但是, 也有人在观测开始的时候, 对一些行星测一下, 可以获得更准确的主波束效率, 提高数据最终精度.

2) focus
通过主动光学技术, 调整望远镜副面的位置, 提高对焦精度. 因为射电望远镜通常都比较大, 小的3米5米, 大的100米(GBT/Effelsberg), 300米(Arecibo) 500米(FAST), 昼夜温差和阳光照射都会导致望远镜有温度变化. 热胀冷缩会使得主镜和副面和最后的接收机之间的相对位置发生改变. 通过副镜前后左右移动, 找到对焦最准确的位置, 很重要. focus通常在日出后半个小时到一个小时, 以及日落后一个小时到一个半小时之间来做比较合理. Effelsberg 100m 望远镜做focus 的速度相当快, 只需要1.5-2分钟, 因此有时候夜深的时候和正午也可以在做pointing的时候顺便再做一次. 用来做Focus的校准源通常都是射电连续辐射很强的QSO, 或者比beam小的行星或者行星卫星.
Focus 如果没有做, 对正常情况下运行的 Effelsberg 100m 望远镜来说可能会导致一些流量损失(>20% 的损失是正常的).

3) pointing
指向是射电望远镜的校准最重要的环节之一, 通常在观测中每隔半小时或者一个小时就需要做一次指向校准. 用来做pointing的源, 大部分是射电连续谱较强的QSO, 行星, 卫星, 但是还有一些谱线发射很强的点源, 例如AGB star 包层的SiO 脉泽 (Maser), 还有一些近邻分子云团块等. pointing 校准源需要和源尽量靠近, 而且最好俯仰 (Elevation) 接近. 如果俯仰接近, 但是水平距离1-2度的话, 是比俯仰差别了半度还要好的. 因为大气在不同俯仰下可以被认为具有不同的厚度, 但是相同俯仰的厚度更加接近. 当指向差了半个beam大小的时候, 流量损失可以达到50%以上.

4) bandpass calibration
观测谱线的时候, 需要做仪器的带宽响应. 对每个channel都进行斩波轮(chop)的校准, 切换环境温度的黑体~300K, 浸泡了液氮的吸收体(absorber ~77K), 和大气天空, 得到每个channel的响应和天空背景. 这个校准通常是仪器自动完成的, 每15分钟左右一次, 各个望远镜设置不同, 但是响应曲线的好坏还是需要人眼检测, 否则一旦除了问题, 15分钟内的观测都作废了.

5) line calibration
每个望远镜都有一本厚厚的手册, 标明在不同的频率不同的源的特征谱线. 这是用来检测谱线模式的观测设置是否正确最直接有效的办法, 也即, 测一下已知的谱线发射, 看看是否测到应有的谱线信息. 特别是在观测弱源, 例如星系的时候, 如果观测之前没有进行line calibrator的检验, 很可能会因为一些观测设置的失误白白浪费大量的积分时间.

6) polarization calibration
如其名, 当进行偏振观测的时候, 可能还需要做偏振的校准.这个我不熟悉, 希望有做过此类观测的同学来补充.

3. 观测策略和设计

我举一个简单的例子, 大家可以当做娱乐思考一下:

1). 一个大样本( ~100个源, 如下图, WU1-WU7 的每条线里面大概都有10-15个源, 线的长度代表在天空停留的时间, 线从俯仰20度开始到俯仰20度结束–effelsberg在这个天区能观测的最低俯仰). 安排的时间一共有2次, 每次2小时, 从LST 17h开始 到 19h结束. 需要得到信噪比 S/N 的 cutoff, 而非 flux cutoff, 但是没有每个源的强度的估测. 大部分的源”理论上”应该有足够的强度在平均时间内达到 3-4sigma 的detection. 如何优化观测, 让尽可能多的源被观测并且大部分源都可以有例如最好有 ~5-6 sigma 的信噪比.

横坐标是时间. 当需要在LST 17-19 小时之间观测尽可能多的Wu1-Wu7系列源表中的源, 如何安排观测顺序?

延伸阅读:

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讨论

3 thoughts on “在Effelsberg 100米 望远镜观测的一周 (1)

  1. 观测策略和设计,是帮我做观测时专门画的图吧。费心了。

    Posted by ywwu119 | 五月 11, 2011, 10:06 下午
  2. 很好。学习学习

    Posted by ywwu119 | 五月 11, 2011, 4:51 下午
  3. 这个挺好 建议王老师讲射电天文的时候可以做阅读材料@JunzhiWang

    Posted by robinmartin | 五月 10, 2011, 9:13 上午

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