научная статья по теме ПЕРВАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА “РАДИОАСТРОН” ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАННЕЙ НАУЧНОЙ ПРОГРАММЫ НАБЛЮДЕНИЙ АКТИВНЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИК Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПЕРВАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА “РАДИОАСТРОН” ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАННЕЙ НАУЧНОЙ ПРОГРАММЫ НАБЛЮДЕНИЙ АКТИВНЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИК»

УДК 520.8

ПЕРВАЯ ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА "РАДИОАСТРОН" ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАННЕЙ НАУЧНОЙ ПРОГРАММЫ НАБЛЮДЕНИЙ

АКТИВНЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИК

© 2015 г. И. Н. Пащенко, Ю. Ю. Ковалев, П. А. Войцик

Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва

in4pashchenko@gmail.com Поступила в редакцию 16.12.2013г

Для интерпретации радиоинтерферометрических наблюдений чувствительных к линейной поляризации необходимо учесть эффект инструментальной или "паразитной" поляризации. В случае на-земно-космической Радиоинтерферометрии со Сверхдлинными Базами эта процедура предполагает проведение сеанса поляризационно-чувствительного картографирования с достаточным числом наземных станций и достаточно малыми проекциями наземно-космических баз. В работе решается задача оценки величины инструментальной поляризации космического радиотелескопа Спектр-Р проекта "РадиоАстрон" по результатам Ранней научной программы наблюдений активных ядер галактик. Используется статистический подход к оценке величины инструментальной поляризации, связанный с анализом уже полученных к настоящему времени промежуточных результатов обзора яркостных температур. Полученные для частотных диапазонов С и Ь (95-процентные вероятностные интервалы [0.0646, 0.1267] и [0.0945, 0.1736] соответственно для 6 и 18 см) оценки позволяют утверждать, что инструментальная поляризация радиотелескопа не превышает значений, типичных для наземных РСДБ-станций.

Б01: 10.7868/$002342061503005Х

1. ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных научных задач проекта "РадиоАстрон" [1] является проведение наземно-космических радиоинтерферометрических наблюдений активных ядер галактик (АЯГ) со сверхвысоким угловым разрешением, чувствительных, в том числе, и к линейной поляризации радиоизлучения. Информация о поляризации радиоизлучения релятивистских выбросов замагни-ченной плазмы и его частотной зависимости является, по сути, единственной возможностью исследования магнитных полей, элементарного состава и энергетического спектра частиц вещества выбросов. Это связано с зависимостью коэффициентов переноса поляризованного излучения от этих параметров [2], [3]. По существующим представлениям, именно магнитные поля играют важнейшую роль в формировании, коллимации и ускорении струйных выбросов ("джетов") во многих космических объектах, таких как квазары, микроквазары, молодые звездные объекты [4]. Однако задача анализа результатов поляризаци-онно-чувствительных наблюдений методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) осложняется наличием инструментальных эффектов, одним из которых является так на-

зываемое "просачивание" поляризаций (polarization "leakage"). Учитывая слабость сигнала линейной поляризации выбросов активных ядер галактик (степень линейной поляризации в оптически плотных областях обычно составляет всего несколько процентов), игнорирование этого эффекта может приводить к ошибочным выводам о свойствах исследуемых объектов. Неучтенный (или ошибочно учтенный) эффект инструментальной поляризации по величине и его локализации в области максимума полной интенсивности может совпадать с ожидаемым сигналом [5], что, в таком случае, делает интерпретацию наблюдений крайне затруднительной.

Следует отметить, что имеющиеся в арсенале наземного РСДБ методы оценки величины инструментальной поляризации применимы, как показывает опыт проекта VSOP [6], и в случае на-земно-космической РСДБ. Однако, точность получаемых такими методами оценок, в связи с небольшим опытом использования наземно-косми-ческого РСДБ для поляризационных измерений, еще не достаточно исследована. В особенности это относится к случаю, в котором в данном частотном диапазоне орбитальный радиотелескоп способен регистрировать только одну из ортого-

нальных компонент поляризации (как, например, японский спутник HALCA проекта VSOP [6] или же, собственно, Спектр-Р в частотном диапазоне 6 см). Мы провели ряд экспериментов с данными наблюдений проекта MOJAVE [7], полученными с использованием РСДБ-сети антенной решетки со сверхдлинными базами (Very Large Baseline Array — VLBA) и взятыми нами из стандартного архива, моделируя ситуацию, возникающую при калибровке инструментальной поляризации космического радиотелескопа (КРТ). В рамках этих экспериментов были рассмотрено влияние двух факторов, теоретически служащих источником неопределенности при получении оценки величины просачивания, а именно: отсутствие промежуточных по размеру баз с наземными радиотелескопами и регистрация только одной из ортогональных (в данном случае — круговых) компонент поляризации. Результаты проведенных экспериментов указывают на то, что в случае влияния обоих факторов точность оценки инструментальной поляризации может уменьшаться на порядок.

В данной работе решается задача получения первой оценки величины инструментальной поляризации КРТ по данным ранней научной программы (РНП) по наблюдению АЯГ, а именно — обзора яркостных температур.

2. ЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Сигналы, индуцируемые в обоих поляризаторах антенны радиотелескопа, каждый из которых предназначен для приема одной из двух ортогональных поляризаций (в нашем случае — левой и правой круговых поляризаций) на самом деле являются суммой двух компонент — отклика на номинальную и отклика на ортогональную к ней поляризацию:

Vr = Gr (Er exp (-/ф) + DrEl exp (+ /ф)),

Vl = Gl (El exp (-/ф) + DlEr exp (—i ф)),

где Er и El — электрические поля правой и левой ортогональных компонент круговой поляризации поля излучения, GR и GL — зависящие от времени комплексные коэффициенты усиления антенны (GRR(t) = giR(t)exp(i'yiR(t)) для антенны под номером i), Dr и Dl — комплексные коэффициенты (называемые также "D-членами"), характеризующие отклик на излучение ортогональной поляризации и являющиеся количественной мерой эффекта "просачивания" и ф — параллактический угол поляризатора, характеризующий его ориентацию относительно наблюдаемого источника. Важным является то, что параллактический угол непрерывно изменяется при сопровождении источника антенной, имеющей альт-азимуталь-

ную монтировку, однако остается постоянным в случае антенны с экваториальной монтировкой. Это обстоятельство позволяет, в целом ряде случаев, разделить сигнал паразитной поляризации и сигнал источника.

Можно показать, что кросс-корреляции откликов пары антенн следующим образом связанны с параметрами Стокса (функциями видности или амплитудой соответствующих интерферометриче-ских лепестков) излучения исследуемого источника I12, Q12, U12, V12 и инструментальными коэффициентами G1r, G1l, G2r, G2r и D1r, Dil, D2r, D2r [8]:

= Gi rG

1rw 2r

Ri R* VriV*2) =

(/12 + V12) exp(i(- ф1 + Ф2)) +

+ dird2r(/12 - v12) exP (i(- Ф1 + Ф2)) +

+Ar-/>2i exp(i(- ф1 + Ф2)) +D2R/12exp(i(- Ф1 - Ф2))

L1L* = < VZ1 V*2> =

= G1lG*l[(/12 - V12)exp(i(+Ф1 - Ф2)) + + D1lD*l(/12 + V12) exp(i(- Ф1 + Ф2)) + + D1LP12exp(i(- Ф1 - Ф2)) +D2lP*2exp(i(+Ф1 + Ф2)).

R1L* Vr1 V*2> =

= g1rg2l

P12exp(i(- Ф1 - Ф2)) +

+ D rD*lP*2 exp (i(+Ф1 + Ф2)) + ■Ar(/12 - V12) exp(i(+Ф1 - Ф2)) +

+ D2*r(/12 + V12) exp(i(- Ф1 + Ф2))

L1R* vl1v*2> =

= G1LG2r [ ^21 exp (i(+Ф1 + Ф2)) +

+ D lD*rP12exp(i(- Ф1 - Ф2)) + + D1L(112 + V12) exp(i(- Ф1 + Ф2)) +

+ D2*r(I12 - F12) exp(i(+Ф1 - Ф2)).

Здесь P12 = Q12 + iUU 12 = (E1RE*L) — комплексная линейная поляризации источника. Тильда над па-

раметром Стокса означает величину в плоскости пространственных частот, а не в плоскости изображения, а звездочка означает операцию комплексного сопряжения. Однако, на практике, часто используют линеаризованные соотношения (учитывая малую величину степени линейной и, тем более, круговой поляризации источника, а также самих ^-членов — порядка нескольких процентов):

= G1RG*RInexp(/(- ф! + ф2)), LiL* = GiLG*l~Ii2exp(i(+Ф1 - Ф2)), RiL* = GirG*l[P12exp(i(- Ф1 - Ф2)) +

+^irI 12exp(i(+Ф1 - Ф2)) + D*lIi2exp(i(- Ф1 + Ф2))]. lir* = G1lG*r [ p21 exp (i (+Ф1 + Ф2)) +

ной базы. Учитывая предполагаемое постоянство коэффициентов инструментальной поляризации КРТ, возникает идея использовать промежуточные результаты текущего обзора яркостных температур для оценки этих величин.

Можно существенно сократить количество неизвестных параметров в модельных соотношениях, связывающих измеряемые в обзоре корреляции с инструментальными коэффициентами, образуя следующие отношения перекрестных к параллельным корреляциям [8]:

r1L2 /r1R2 —

= -1- e^Mn exp (-2 /ф) + Ar exp (+2 ¿фп ) + D^ ), r2

L1R*/R1R* = -exp(-2/^1) x

( ~ *

+D1LI12exp(i(- ф1 + ф2)) + D*lI12 exp(i( + ф1 - ф2))]. x I m*1exp(+2iФ2) + d1lexp(-2 1ф12) + d*rj ,

3. ФОРМУЛИРОВКА ВЕРОЯТНОСТНОЙ МОДЕЛИ

Перейдем теперь к формулировке вероятностной модели, связывающей наблюдаемые данные и неизвестные инструментальные коэффициенты. Для этого необходимо построить совместное распределение наблюдаемых данных и неизвестных параметров, среди которых как инструментальные эффекты, так и параметры наблюдаемого источника. Используя построенную модель, можно оценить плотность вероятности неизвестных параметров, используя байесовский подход. Рассмотрим отдельно данные наблюдений и параметры модели.

3.1 Используемые наблюдаемые данные. Основной модой наблюдений в проекте "Радио-Астрон" в рамках РНП по обзору АЯГ является достаточно кратковременные сессии наблюдений с различной величиной и направлением проекции наземно-космической базы. Полученные значения функции видности после амплитудной калибровки или же их верхние пределы предполагается использовать для оценки коррелированного потока и, следовательно, яркостной температуры источника [9]. Промежуточным результатом обзора яркостных температур является набор значений отношений сигнал/шум (S/N) для измеренных интерферометрических откликов для различных наблюдательных сессий. Из раздела 1 следует, что в каждом измерении лепестков перекрестной корреляции (т.е. RXL* или ДЛ^на какой-либо базе с КРТ присутствует вклад от инструментальных поляризаций обоих антенн дан-

(1)

L1R*/R1 R* = -1 exp ( - W1 /M^exp (-2 i ф1) r2

+ D1L + D*r exp (+2 ¿Ф12)),

l1R2 /l1L2

= r2exp(

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком