天马行空录第19期.pdf

行空录 主办单位：中国科学院上海天文台 2018 年 12 月 31 日 第 19 期 总第 19 期 【领导关怀】 全国政协副主席万钢调研天马望远镜 2018 年 7 月 4 日，在全国政协副主席万钢的带领下，全国政协教科卫体委员会调研组来 到上海天文台佘山科技园区，开展“强化基础研究，促进重大原始创新”实地考察。在调研期 间，万钢一行实地参观了天马望远镜、观测楼总控制室等。上海天文台台长沈志强在现场对天 马望远镜的建设历程、主要参数、技术难点、科学目标和工程应用等方面进行了重点介绍。 【科学观测动态】天马望远镜圆满完成嫦娥四号探测器 VLBI 测轨任务 嫦娥四号探测器于 2018 年 12 月 8 日发射后，天马望远镜作为 VLBI 测轨分系统的主力台 站，随即开展了每天的实时观测任务。在探测器月球背面着陆前的重大任务段，天马望远镜开 展了实时观测，其中有 15 天时间采取了分时工作模式，分别对探测器和中继星开展测轨工 作，累计观测时间超过 300 h，实现了设备零故障，运行零失误，充分发挥了天马望远镜口径 大、灵敏度高的优势。 为助力嫦娥四号探测器任务圆满成功，在任务准备阶段，天马望远镜针对嫦娥四号任务进 行了多项关键技术试验和设备保障工作：2017 年 4 月，对 S/X 双频致冷接收机进行了改造，更 新了 S 波段超导滤波器和 X 波段低温放大器，更换了制冷机和压缩机，并对氦气管路和冷水机 -1- 系统进行了维护保养；2017 年 10 月，成功地进行了天马望远镜与嫦娥四号着陆器正样的对接 试验，验证了器地设备状态以及接口匹配性；2018 年 5—6 月，天马望远镜全程参与并顺利完 成嫦娥四号中继星发射任务；2018 年 6—9 月，天马望远镜作为地面唯一设备，成功完成中继 星天线的在轨标定工作；2018 年 8 月，进口氢原子钟投入使用，并经过测试验证后作为主用时 频设备，参与正式任务；2018 年 11 月，完成了市电供电、柴油发电机和 UPS 设备的维护，开 展了供电系统故障预案演练，完成了天马望远镜全部参试设备的巡检和入网评审。 在上海天文台和 VLBI 分系统总体带领下，天马望远镜科研团队共计 19 人（包括派驻 VLBI 总体组 1 人和 VLBI 中心 1 人）全程参与了嫦娥四号探测器实时任务，并先后三批次派遣观测 工程师支援北京密云测站工作，充分发挥了团队的技术实力和工作作风。天马望远镜将继续高 质量完成嫦娥四号的后续工作，并为嫦娥五号和后续的火星探测做好准备。 【科学观测动态】C 波段激发态 OH 脉泽搜寻工作 20 世纪 60 年代，羟基（OH）分子首次在星际介质中被探测到，基态 OH 天体脉泽也首次被 探测到。类似于激光是在光学波段的一种受激发射，脉泽是在微波波段的一种受激发射。目前 已经探测到的天体脉泽分子包括水、甲醇、氧化硅及其同位素、甲醛、氰化氢及其同位素等。 OH 分子的结构简单，其脉泽具有多条谱线，其中波长在 L 波段（频率包括 1 612 MHz, 1 665 MHz, 1 667 MHz 和 1 720 MHz）的基态跃迁和波长在 C 波段（频率包括 4 660 MHz, 4 750 MHz, 4 765 MHz, 6 016 MHz, 6 030 MHz, 6 035 MHz 和 6 049 MHz）的激发态跃迁最为普遍。 OH 脉泽由于其具有线宽窄、流量强，以及在小尺度上具有成团成块性等特征，且普遍存在于宇 宙的各类天体环境中，因此，可以用于示踪辐射源的物理性质和化学环境等。 国家授时中心乔海花助理研究员（兼任天马望远镜特聘青年研究员）等人利用天马望远 镜，在 C 波段进行了激发态 OH 脉泽的搜寻。他们所搜寻的样本由约 200 个基态 OH 脉泽组成。 他们还同时观测了 7 条激发态 OH 跃迁谱线、1 条甲醛跃迁谱线和 1 条甲醇跃迁谱线。结合基态 OH 脉泽，激发态 OH 脉泽可以被用来推测脉泽产生区域的物理条件，包括磁场和动力学场等信 息，以研究不同跃迁 OH 脉泽的抽运机制。他们在大质量恒星形成区 W3(OH)共探测到 5 条脉泽 谱线，包括 4 条 OH 脉泽谱线和 1 条甲醇脉泽谱线。图 2 是在恒星形成区 W3(OH)探测到的 4 765 MHz OH 脉泽谱线）。 图2 恒星形成区 W3(OH)中的 4 765 MHz OH 脉泽谱线 -2- 【科学观测动态】天马望远镜在河外星系 36.2 GHz I 型甲醇脉泽研究方面 的重要进展 甲醇脉泽在星际空间广泛存在，人们已在银河系中 1 000 余颗恒星的形成区探测到它们的 辐射。根据理论预测，它们也应能在具有强恒星形成活动（如星暴）的河外星系中心区域被探 测到。据近期国际观测研究，人们已经在大约 5 颗河外星系中探测到 36.2 GHz 跃迁频率上的 I 型甲醇辐射。由于该辐射具有窄的谱辐射特征，因此，理论上认为，它可能是脉泽辐射。但至 今对其是否为脉泽辐射，仍缺乏最直接的观测证据。 天马望远镜是目前国际上为数不多的可开展 36.2 GHz I 型甲醇脉泽高灵敏度观测的望远 镜。前期的测试工作已经表明，该望远镜在 Q 波段具有良好的观测性能，可开展该条甲醇线的 观测。2018 年 1—2 月，广州大学和中国科学院上海天文台的合作研究小组利用天马望远镜， 对星暴星系 NGC253 开展了该条甲醇线的观测，并成功地在该星系的两个区域（如图 4 中 A/B 和 C/D 位置）探测到 4 个甲醇辐射成分（A—D）。结合不同分辨率的 ATCA 和 JVLA 干涉阵的观 测数据，研究小组分析了 4 个甲醇成分在不同分辨率下的流量变化，得到了甲醇成分辐射区大 小。天马望远镜观测数据在此研究中提供了重要的零基线流量值，使得人们有机会一窥河外星 系甲醇脉泽辐射成分的物理结构（见图 2）。研究结果表明，河外星系甲醇脉泽通常包括了物 理尺度延展和致密的两种辐射成分：延展辐射成分的辐射尺度为 6″，对应的物理尺度为 100 pc；致密辐射成分的辐射尺度比延展的小近 2 个量级，只有 0.05″，对应的物理尺度为 1 pc。 这种致密成分具有高的（远高于 5 000 K）亮温度。由于其具有如此高的亮温度，因此可以排 除甲醇热辐射的可能，这为证实河外星系甲醇脉泽的存在提供了最为直接的观测证据。该研究 结果已经发表在国际天文学核心期刊《天体物理杂志快报》（ApJL, 2018, 856: 35）上。 a) 注：4 个脉泽成分（A—D）的空间分布由 ATCA 及 JVLA 干涉阵 成图观测数据获得；4 个成分的谱轮廓图由天马望远镜观测获 得，其谱分辨率为 3 km/s，噪声水平为 3 mJy。 图3 星系 NGC253 36.2 GHz I 型甲醇脉 泽的观测结果 b) c) 注：a)用不同空间分辨率观测得到的谱轮廓，其中洋红色谱轮廓为天马望远 镜观测获得，其余由 ATCA 或 JVLA 观测给出。b)峰值流量密度随观测望远镜 （或阵列）波束倒数的变化，其中红线代表对延展成分的高斯拟合，拟合成 分大小为 6″；蓝线代表对致密成分的高斯拟合，拟合成分大小为 0.05″。 c)对图 b)延展成分高斯拟合的放大。天马望远镜观测提供了此研究中至关重 要的零基线数据。 图4 由天马望远镜、ATCA 和 JVLA 观测得到的 4 个 36.2 GHz 甲醇脉泽成分的谱轮廓和峰值流量密度 -3- 【技术维护与发展】完成对 Q 波段双波束低温接收机的维护保养 Q 波段双波束低温接收机自 2016 年 3 月安装于天马望远镜，并连续运行 2 年多时间后，真 空杜瓦低温平台的物理温度出现了轻微的漂移。经过多次排查，未能对该故障进行定位，最后 将 Q 波段低温接收机移至微波技术实验室进行全方面的故障确认。通过更换制冷机冷头和加固 内部杜瓦连接处，最终实现了故障归零。目前，低温平台物理温度稳定，接收机 4 个通道的噪 声温度均在 30～40 K。2018 年 10 月 8 日天马望远镜已恢复安装了该低温接收机，并于 10 月 23 日与韩国 KVN 进行了国际 VLBI 联测，成功获得相关条纹（如图 5 所示）。另外，Q 波段低 温接收机在实验室维护保养期间，我们还对噪声源快速切换、低温放大器电压电流数据采集等 硬件升级进行了方案论证和测试。 图 5 天马站与韩国 KVNYS 站的相关条纹 【技术维护与发展】完成对致冷系统的维护保养 2018 年 11 月 24 日—29 日，中国科学院上海天文台和合肥方汇低温技术有限公司对天 马望远镜致冷系统进行了五年一次的大修维护保养，完成了馈源舱恒温空调 1#系统压缩机的更 换，1#和 2#系统干燥过滤器、高低压开关、膨胀阀及毛细管的更换，重新进行保压，抽真空， 加注制冷剂并制冷。此外，还对控制系统进行了除尘，对机械系统进行了防锈处理。另外，还 检查了冷水系统的工作状态。经过 5 天的维护保养，目前系统工作状态良好。 图 6 致冷系统的维护保养 -4- 【技术维护与发展】完成对谱线和脉冲星观测数字终端的升级 谱线和脉冲星观测数字终端(DIBAS)自 2013 年 10 月安装以来，已稳定运行了 5 年。在 系统运行中我们发现：（1）存储服务器老化不稳定；（2）模拟中频放大器模块隔离不 好，带来频率基线的问题。2018 年 10 月对存储器进行了升级，扩充了一组容量为 96 TB 的 Lustre 存储器，并使其与原有的存储器互为备份，以增加存储容量，提高存储安全 性。对于模拟中频放大器，从 2018 年初开始讨论了新的设计指标和方 案，并于年中安装了第一套模拟中频放大器，10 月安装了第二和第三 套。图 7 显示了新的模块内部实物图。该模块中，对一对双偏振输入信 号采用了独立的处理链路，隔离度达到 70 dB 以上(原模块为 30 dB)。 安装后进行了测试，图 8 为新旧放大器 SR 频率基线比较图，该图显示了 Ku 波段上左右旋的观测结果，观测源为 0442-002，观测频率为 14.005 GHz，带宽为 1.5 GHz，观测时间为 59 min。由图 8 可以看出，新的模块 改善了频率基线。后续将继续研究终端的性能，改善频率基线，以便更 好地服务于天文观测。 图 7 模拟中频 放大器实物图 注：a)左旋结果；b)右旋结果。蓝线为新模块的结果，红线为旧模块的结果。 图 8 新旧放大器模块频率基线的比较 【科学观测动态】 EVN 观测进展 2018 年 6 月中旬，天马站对数字终端 DBBC2 进行了升级，启用了两路 Fila10G 输出， 其中一路连接到 e-VLBI 交换机，用于 2 Gbit/s 数据传输，另外一路与 Flexbuff 直连。数 据发送给 Flexbuff，记录在本地磁盘阵列上，以存储 VLBI 观测数据。 经过测试，Fila10G 可以直接与 JIVE 进行数据传输。目前，我们正在解决国内的网络 协议问题。 Flexbuff 磁盘阵列服务器将替代原有的 Mark5B+，用于 VLBI 数据的记录和存储。目 前，已完成该存储设备的安装和测试，并计划把它用到 2019 年年初的 EVN 观测中。 为了使用 DBBC2 的 Fila10G 和 Flexbuff，fs 控制计算机已升级到了 fs-9.11.19 版本。 -5- 图 9 Flexbuff 磁盘阵列服务器 【观测运行动态】观测情况统计 2018 年天马望远镜总运行时间为 7 300 h，其中单天线观测时间为 3 720 h，VLBI 观测时间为 1 880 h，各项测试时间为 1 147 h，维修保养时间为 408 h，其他时间为 145 h。 图 10 2018 年度天马望远镜运行时间统计图 【简讯】 （1）2018 年 5 月 21 日—6 月 21 日，天马站执行了嫦娥四号中继星的 VLBI 测轨任 务。7—9 月，天马站参加了嫦娥四号中继星常规观测任务约 25 次。 （2）在科技部组织的大型仪器开放共享评价考核中，由于天马望远镜等大型仪器设 备运行使用效率高，对外开放共享成效明显，上海天文台获评“优秀”。 （3）包括天马望远镜在内的系列大型天文观测设施入选“中科院改革开放 40 年 40 项标志性重大科技成果”。 衷心祝愿： 猪年大吉！ 万事如意！ 中国科学院上海天文台 编 辑： 赵玲丽 何雯婷 [网址] http://shao.ac.cn/ [地址] 上海市徐汇区南丹路 80 号 王彩虹 审 核：刘庆会 [邮政编码] 200030 签 发： 沈志强 -6-