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.