CMB以及射电连续谱的观测研究

CMB 以 及 射 电 连 续 谱 的 观 测 研 究

什 么 是 射 电 连 续 谱
• 连 续 谱 是 在 很 宽 的 频 率 ( 波 长 ) 范 围 内 都 存 在
的 辐 射
• 射 电 连 续 谱 辐 射 , 主 要 有 3 种 机 制 : 同 步 辐
射 、free-free、 尘 埃 热 辐 射 , 分 布 在 低 频 、
中 频 和 高 频 起 主 要 作 用
• 连 续 谱 的 观 测 , 在 很 多 情 况 下 和 谱 线 的 观
测 方 式 有 较 大 差 异

射 电 连 续 谱 的 几 种 机 制
( 近 邻 星 暴 星 系 M82 的 射 电 谱 谱 分 布 )
同 步 辐 射
free-free
尘 埃
Condon 1992
ARA&A

几 种 类 型 的 射 电 连 续 谱 辐 射 的 起 源
• 同 步 辐 射 : 相 对 论 电 子 的 辐 射 , 主 要 来 自
超 新 星 遗 迹 、AGN 中 心 及 喷 流 等
• free-free:HII 区 的 电 子 的 热 辐 射
• 尘 埃 热 辐 射 : 主 要 分 布 在 毫 米 波 及 亚 毫 米
波 , 恒 星 形 成 区 以 及 星 际 空 间 冷 尘 埃 的 热
辐 射 , 在 这 个 波 段 基 本 上 是 光 薄 的

同 步 辐 射
• 同 步 辐 射 是 超 新 星 遗 迹 里 很 重 要 的 一 种 辐
射 机 制 , 射 电 波 段 的 同 步 辐 射 , 可 以 很 好
的 示 踪 相 对 论 电 子 的 空 间 分 布 , 随 着 频 率
的 增 加 流 量 降 低
• 在 河 外 星 系 中 , 由 观 测 得 到 了 很 好 的 低 频
射 电 连 续 谱 和 远 红 外 流 量 的 相 关 , 所 以 可
以 在 正 常 星 系 中 利 用 高 灵 敏 度 和 高 空 间 分
辨 率 的 射 电 连 续 谱 观 测 , 研 究 其 中 的 恒 星
形 成 率

free-free
• free-free 辐 射 在 几 GHz 到 几 十 GHz 基 本 上 是
一 个 平 谱 , 所 以 , 比 较 有 效 的 观 测 它 , 是
在 X band 和 C band, 这 时 free-free 占 主 导
地 位
• free-free 可 以 有 效 的 观 测 深 埋 在 尘 埃 里 的 大
质 量 恒 星 , 研 究 恒 星 形 成 的 早 期 阶 段
• free-free 还 可 以 作 为 河 外 星 系 中 的 恒 星 形 成
率 的 探 针 , 研 究 星 系 中 的 恒 星 形 成

( 亚 ) 毫 米 波 尘 埃 连 续 谱
• 尘 埃 吸 收 光 学 和 紫 外 光 子 , 然 后 通 过 自 身
的 热 辐 射 , 把 能 量 输 出
• 尘 埃 的 热 辐 射 , 能 量 主 要 集 中 在 远 红 外 ,
毫 米 波 以 及 亚 毫 米 波 的 辐 射 基 本 上 是 光 薄
的 , 其 强 度 同 时 严 重 依 赖 于 尘 埃 的 温 度 和
光 学 厚 度
• 尘 埃 在 ( 亚 ) 毫 米 波 的 连 续 谱 辐 射 , 可 以 帮 助
我 们 研 究 恒 星 形 成 ( 河 内 及 河 外 )

连 续 谱 观 测 模 式
• 单 镜 : 单 个 接 收 机 或 者 焦 平 面 上 多 个 接 收
机 ( 现 在 更 多 使 用 这 种 类 型 的 接 收 机 )
• 主 要 有 2 种 测 量 模 式 :
总 功 率 模 式
测 热 计
• 干 涉 仪 : 和 谱 线 观 测 模 式 类 似

低 频 : 总 功 率 模 式
• 从 射 电 天 文 学 开 始 的 时 候 , 就 开 始 使 用 这
种 观 测 模 式
• 很 多 望 远 镜 都 有 这 种 终 端 , 用 来 进 行
pointing 以 及 进 行 连 续 谱 观 测
• 如 果 用 来 进 行 专 门 的 连 续 谱 观 测 , 现 在 一
般 采 用 带 宽 比 较 宽 , 而 且 多 波 束 的 接 收 机
进 行

示 例 :Effelsberg 21 cm radio
continuum survey of the Galactic plane
Reich et al.
1997 A&AS

Effelsberg
11cm survey
Reich et al. 1984
A&AS

高 频 :Bolometer Arrays
• 一 般 在 3mm 以 及 以 上 , 用 Bolometer Array
来 作 为 连 续 谱 终 端 的 比 较 多 , 这 个 波 段 主
要 是 尘 埃 热 辐 射
• 目 前 国 际 上 主 要 的 大 型 毫 米 波 以 及 亚 毫 米
波 望 远 镜 都 配 备 有 类 似 设 备
• 在 这 个 波 段 , 发 现 了 大 量 有 重 大 科 学 意 义
的 天 体 : 恒 星 形 成 区 、 近 邻 星 系 以 及 高 红
移 的 亚 毫 米 波 星 系

目 前 较 重 要 的 几 个 Bolometer Array
•JCMT 上 的 SCUBA-2 (850 微 米 以 及 450 微 米 )
•CSO 上 的 SHARCII (384 pixels,
350/450/850 微 米 )
•APEX 上 的 LABOCA (295-pixel, 870 微 米 )
•IRAM 30 米 上 的 MAMBO1 (37 pixels) 和
MAMBO2 (117 pixels),1.2mm
•LMT 上 的 AzTEC (144-pixel,1.1mm 以 及
2.2mm)

小 质 量 恒 星 形 成 区 的 尘 埃 辐 射
IRAM 30 米 上 的 MAMBO 观 测
(Kauffmann et al. 2008 A&A)

大 质 量 恒 星 周 围 的 PDR 区 域 ( 灰 度 图
),1.2mm 尘 埃 辐 射
Goicoechea et al. 2008 ApJ

SCUBA image of Orion
Johnstone & Bally
(1999 ApJ)
850 微 米
850 微 米 对 数
450/850 微 米 谱 指 数

850 Microns mapping toward ρ Ophiuchi Molecular Cloud
研 究 尘 埃 团
质 量 分 布 ,
以 得 到 IMF
Johnstone et al.
2000 ApJ

天 线 星 系 的
多 波 段 辐 射 图
Haas et al
2000 A&A

天 线 星 系 中
去 除 掉 CO 3-2
的 辐 射 贡 献 后
的 850 微 米 辐 射
Zhu et al. 2003
ApJ

1.2mm map of
Lockman Hole
Greve et al.
2004

The SCUBA HAlf Degree Extragalactic Survey
Ivison et al. 2007 MNRAS

350 微 米 的 流 量
(SHARCII)
Coppin et al.
2008 MNRAS

1mm magic

高 红 移 星 系 的 尘 埃 辐 射
z~4 的 类 星 体 , 在 1.2mm
通 过 IRAM 30 米 测 得 的
流 量 , 在 rest frequency
其 波 长 大 约 在 250 微 米 ,
靠 近 尘 埃 热 发 射 的 峰 值
(Omont et al. 2001 A&A)

连 续 谱 的 干 涉 仪 观 测
• 在 大 部 分 情 况 下 , 干 涉 仪 观 测 连 续 谱 和 谱
线 是 类 似 的
• 连 续 谱 模 式 的 观 测 在 不 少 射 电 干 涉 仪 也 是
有 的 , 但 是 一 般 都 不 会 有 太 宽 的 带 宽
• 带 宽 太 宽 后 , 特 别 是 在 低 频 , 如 果 Δν/v 比
较 大 , 会 产 生 bandwidth smearing 效 应
• 在 高 频 的 时 候 , 由 于 视 场 很 小 , 干 涉 仪 适
合 对 尺 度 小 的 源 进 行 观 测 , 得 到 其 结 构

NVSS 以 及 FIRST
• NVSS (The NRAO VLA Sky Survey ):
http://www.cv.nrao.edu/nvss/
1.4 GHz continuum survey
•-40 度 以 北 的 全 天 区 , 较 低 空 间 分 辨 率 (VLA
D 阵 观 测 , 约 45"), 比 较 浅 的 巡 天
• Faint Images of the Radio Sky at Twenty-
Centimeters (FIRST)
•5" 的 空 间 分 辨 率 (B 阵 ),9 千 平 方 度 , 较 高 灵
敏 度

EVLA and ALMA
• EVLA 将 在 1-50GHz 内 实 现 宽 带 接 受 , 最 多
可 以 到 8GHz, 连 续 谱 灵 敏 度 比 VLA 会 好 5-
20 倍 , 覆 盖 1-50GHz 的 所 有 频 率 , 可 以 更
好 的 利 用 它 来 研 究 free-free 以 及 同 步 辐 射
•ALMA 主 要 工 作 在 毫 米 波 以 及 亚 毫 米 波 , 它
的 连 续 谱 灵 敏 度 将 会 比 目 前 世 界 上 工 作 的
类 似 望 远 镜 有 量 级 的 提 高 , 可 以 有 效 的 对
弱 的 点 源 进 行 探 测 和 定 位 , 研 究 尘 埃 辐 射

连 续 谱 观 测 的 实 例 :
CMB ( 宇 宙 微 波 背 景 辐 射 )
• 发 现 :1964 年 ,Bell Lab 的 2 位 天 文 学 家
Penzias 和 Wilson 在 建 造 射 电 望 远 镜 进 行 银
晕 射 电 观 测 时 , 在 4GHz 发 现 一 个 3.3K 的 各 向
同 性 的 多 余 噪 音
• 文 章 发 表 在 1965 年 的 ApJ Letter 上 , 大 家 相
信 这 个 各 向 同 性 的 辐 射 , 就 是 来 自 于 早 期 宇
宙 残 留 下 来 的 背 景 辐 射 , 此 项 发 现 获 得 1978
年 Nobel 物 理 学 奖
•CMB 的 发 现 被 列 为 20 世 纪 60 年 代 四 大 天 文 发
现 之 一 , 使 得 大 爆 炸 宇 宙 学 得 到 承 认

理 想 的 黑 体 谱

空 间 各 向 异 性 的 观 测

观 测 SZ 效 应 的 望 远 镜
•SZA,University of Chicago
• 3.5-m antennas at 1cm and 3mm using an
8-GHz-bandwidth correlator
• AMiBA (Array for Microwave Background
Anisotropy)
• http://amiba.asiaa.sinica.edu.tw/