致密射电源0400+258的毫角秒尺度偏振研究*

李宇航，张海燕，陈如荣，陈天禄

(1 西藏大学 宇宙线教育部重点实验室， 拉萨 850000；

2 中国科学院国家天文台 中国科学院FAST重点实验室， 北京 100101)

吉赫兹峰谱 (gigahertz peaked spectrum, GPS) 源是光学薄区域谱指数α≥0.5(S∝ν-α)的致密射电源，约占河外射电源数目的10%，线尺度一般小于1 kpc。由于同步自吸收或自由—自由吸收效应，它们的射电频谱会出现低频反转，并导致峰形结构，峰值频率位于500 MHz～10 GHz[1]。关于GPS源，目前一般认为：1)GPS源是比较年轻的射电源，处于演化的早期，未来会演化成致密陡谱(compact steep spectrum，CSS) 源。2)GPS源与周围稠密的介质有较强烈的相互作用，从而限制了它们的尺度。3)GPS源可能是暂现源或间歇源。因此，对GPS源射电结构和辐射情况的研究，可以促进对它们的形态结构、演化和周围物理环境的认识[2]。此外，由于它们与周围星系介质有较强的相互作用，偏振观测可以观测源的偏振情况和反推磁场结构，更加深入地了解源喷流和介质的相互作用[2-7]。

我们从Fomalont等[8]在1996年开展的美国甚长基线干涉阵(very long baseline array, VLBA) 5 GHz观测项目中选取射电源0400+258进行研究。该源属于类星体和GPS源[9]，红移为2.109。5 GHz频段VLBA观测显示该源呈单侧核-喷流结构，喷流向东北方向延伸，结构较扭曲，有明显的节点，核射电辐射占主导[8]。43 GHz频段VLBA观测显示射电核尺度约为0.21 mas(milliarc seconds,毫角秒)，喷流向东南方延伸约2 mas，再转向东北方[10]。源0400+258毫角秒尺度有明显的喷流，形态结构比较扭曲，推测它们与周围的介质有较为强烈的相互作用，便于研究源与周围环境的相互作用。美国国立射电天文台1.4 GHz频段的VLA巡天项目(NVSS)观测到该源有一定的偏振辐射[11]，而Gardner等[12-13]利用澳大利亚Parkes射电望远镜于5、2.7、1.4 GHz频段的偏振观测得到该源的偏振度分别为4.5%、3.0%和3.9%，并得到源的旋转量(rotation measure, RM)的值为42.0 rad/m2。目前针对该源0400+258的5 GHz和8 GHz频段的毫角秒尺度的偏振观测不是很多，通过VLBA 5 GHz和8 GHz同时的偏振观测，可以得到它们毫角秒尺度的射电辐射强度图和偏振图，并获得旋转量分布，进而研究其射电结构、内禀的偏振情况和磁场结构，并分析喷流与介质的相互作用。本文采用的哈勃常数H0=71 km·s-1·Mpc-1，物质密度参数Ωm=0.27，暗能量密度参数ΩΛ=0.73。

2004年2月25日，我们利用VLBA的10面天线对一系列射电源进行观测，源0400+258便是其中之一，观测代码为BZ031。采用双偏振模式，观测频段为5 GHz和8 GHz，为获得目标源的旋转量RM分布，5 GHz分为4.6 GHz和5.0 GHz两个频段，8 GHz分为7.9 GHz和8.8 GHz两个频段，每个频段分为4个中频，每个中频有16个通道，通道带宽为8 MHz，1 bit量化。源0400+258每个频段的累计观测时长约为23 min，总共观测了约1.5 h。观测数据由位于美国索科里(Socorro)的FX架构相关处理器进行相关，输出UVFITS数据用于后续处理[14]。

参照AIPS (astronomical image processing system) 软件包的使用说明[15]，利用AIPS对观测数据进行了处理，首先进行数据编辑、幅度预校准、视差角校准、带通校准、仪器相位校准和条纹拟合等步骤，然后将数据进行平均，再应用校准和编辑数据，然后自校准和成图。之后利用源DA193进行设备偏振(D-term)改正，并利用源1308+326进行绝对偏振位置角改正(引用 VLBA/VLA 偏振角校准网站：http:∥www.aoc.nrao.edu/～smyers/calibration/)，获得偏振分布图，并通过AIPS软件包中RM任务得到源旋转量RM分布图。

通过数据处理，得到了目标源0400+258在4个观测频率的总流量和偏振观测结果。使用AIPS的JMFIT命令对目标源进行高斯拟合，得到了模型拟合结果，见表1。

2.1 流量结构与偏振

图1(a)和1(b)分别为5.0 GHz和7.9 GHz观测频率叠加在辐射强度图上的偏振矢量分布图(1 mas=8.43 pc)。

该源呈现单侧核—喷流结构。结合表1，在5.0 GHz观测频率上，源流量结构主要由射电核心区域C和喷流上的节点J1组成，辐射流量分别占总流量的85.13%和14.87%，喷流向东北方向延伸。本次得到的射电结构符合已有的观测结果[5]，比较稳定。7.9 GHz观测频率的图像展示了更详细的结构，主要由射电核C、喷流J2和节点J1组成，辐射流量分别占总流量的93.23%、3.93%和2.84%。节点可能是喷流与周围介质相互作用的结果。

本研究首次得到了源0400+258在5 GHz和8 GHz频段的毫角秒尺度偏振结构，偏振矢量1 mas=3.125 mJy/beam。各个观测频率的偏振观测结果见表1。结合表1和图1，该源的偏振流量集中在射电核区域，射电核之外的区域偏振流量值小于3σ，有较大的不确定性。8 GHz频段的偏振流量值比5 GHz频段稍高，但各个频率处偏振度均为1%左右，比较低，而喷流区域未观测到明显的偏振辐射。推测它们周围有较浓密的介质，产生较强的消偏振效应，而有限的分辨率也可能造成低偏振度观测结果。

表1 模型拟合结果Table 1 Results of model fitting

图1 叠加在源0400+258辐射强度图上的偏振矢量分布图Fig.1 Distribution of polarization flux density superposed on the contour images of the total intensity of the sources 0400+258

2.2 RM和磁场

受介质影响，源偏振辐射的偏振角会发生改变，使观测得到的偏振角χobs不等于源辐射内禀的偏振角χ0，并与观测波长λ有关，它们之间的关系为

χobs=χ0+RMλ2.

(1)

利用AIPS的RM任务和4个观测频率偏振矢量分布，首次得到该源毫角秒尺度旋转量RM值分布，见图2。在本次观测频段上，银河系内介质产生的旋转量可以忽略[16]。源0400+258的旋转量RM集中在射电核靠近喷流处3 mas×4 mas范围内。RM的峰值位于距射电核约2 mas处，靠近喷流，峰值为564.8 rad/m2，并沿喷流方向减少至-5.4 rad/m2，存在分布梯度，推测偏振旋转量主要由源周围的介质产生。而RM值在垂直于喷流方向上存在明显的梯度，RM值从东南侧的238.8 rad/m2增长至西北侧的564.8 rad/m2，与Asada等[17]得到的类星体0836+710垂直于喷流方向的RM值分布情况类似，可能存在螺旋状的磁场结构。

辐射强度图的参数同图1图2 叠加在5.0 GHz的辐射强度图上的RM分布图Fig.2 Distribution of RM superposed on the contour images of the total intensity at 5.0 GHz with the same parameters as Fig.1

对于核-喷流结构的活动星系核，射电核一般认为是光学厚的[5]。根据5 GHz和8 GHz的辐射强度图，得到了偏振区域的射电频谱的谱指数分布，为0.13～0.77，且偏振区域集中于核区，偏振度为1%左右，比较低，由此认为偏振区域是光学厚的[5-6,16-19]。对于光学厚区域，磁场方向与辐射偏振方向平行[5,16-18]。由此根据得到的RM分布，移除介质干扰，得到了该源毫角秒尺度的内禀磁场结构，见图3。图3显示磁场主要集中在射电核靠近喷流的部分，方向大致与喷流方向平行，并在接近喷流处有明显的转向，倾向于沿着喷流方向。与Hovatta等[5]和Hutchison等[16]对射电源0836+710磁场结构的讨论类似，磁场方向与喷流方向平行可能表明周围介质对源有该方向的作用力，源周围的等离子体介质在喷流方向上被压缩，增强了该方向上的磁场。

辐射强度图的参数同图1图3 叠加在5.0 GHz的辐射强度图上的内禀磁场分布图Fig.3 Distribution of intrinsic magnetic field superposed on the contour images of the total intensity at 5.0 GHz with the same parameters as Fig.1

通过5 GHz和8 GHz的VLBI偏振观测，对目标源0400+258的射电结构、偏振性质以及磁场结构进行了研究。该源呈单侧核-喷流结构，有较大尺度的节点结构，射电核的辐射流量占主导。射电结构大体符合以往的观测结果，较稳定。

本研究首次得到源0400+258的5 GHz和8 GHz频段毫角秒尺度的偏振结构。偏振辐射集中在射电核区域，8 GHz频段偏振流量比5 GHz频段大，但偏振度相近，均为1%左右，偏振度比较低。文献[1-2]在收集了一系列CSS源和GPS源的偏振观测结果后指出在5 GHz观测频段上这两类源的偏振度一般较低，并指出低观测频段上产生低偏振度结果的原因可能是有限的分辨率或周围浓密介质产生的消偏振效应。Dallacasa等[20]也得到了类似的低偏振度结果。本次研究的低偏振度观测结果符合他们的结论。

本次得到的该源毫角秒尺度旋转量RM分布，在与喷流平行和垂直的两个方向上都存在分布梯度，RM可能主要由源周围介质产生，并可能存在螺旋状的磁场。通过偏振区域所处的位置，结合其射电频谱的谱指数分布以及低偏振度的观测结果，判断该区域为光学厚，磁场方向与偏振方向平行。通过得到的RM分布，移除介质的影响，得到了该源毫角秒尺度的磁场结构，其方向大致沿着喷流方向，反映了当地喷流的流动方向和能量输送情况。更高频段的偏振观测将有助于进一步研究目标源的内部结构和更详细的磁场结构。

此研究使用了美国甚长基线阵VLBA的观测数据，VLBA属于美国射电天文台 (NRAO) ，由美国联合大学管理，美国国家自然科学基金(NSF)资助。在数据处理过程中使用了软件包AIPS，由美国国立射电天文台提供。

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