 |
Астронет: А. И. Васюнин, А. Л. Гейбух Наблюдения линий цианоацетилена (HCзN) на радиотелескопе РТ-22 ПРАО АКЦ ФИАН с высоким спектральным разрешением http://variable-stars.ru/db/msg/1176994/node3.html |
<< 1. Цианоацетилен (HC3N) ... | Оглавление | 3. Разработка и реализация ... >>
2. Требования к наблюдательной аппаратуре
В силу того, что разные спектральные линии различных атомов и молекул имеют существенно различные характеристики интенсивность, ширину, наличие узких деталей в профиле, понятие высокого спектрального разрешения имеет смысл лишь применительно к конкретным спектральным линиям молекул в определенных источниках. Соотношение сигнал/шум зависит и от параметров линии, и от характеристик радиотелескопа. Для ярких линий высокая шумовая температура системы телескопа может быть приемлема, а для слабых нет.
Авторы решали задачу определения требований к наблюдательной аппаратуре применительно к триплету спектральных линий HC3N, на частоте, близкой к 36,392 ГГц и радиотелескопу РТ-22 ПРАО АКЦ ФИАН. Для этого было проведено моделирование спектров соответствующих линий с целью выяснения необходимых параметров наблюдений спектрального разрешения и длительности, определяющей результирующее отношение сигнал/шум.
Теоретический расчет был проведен в следующих предположениях:
- Микротурбулентные движения в темных молекулярных облаках слабы настолько, что не оказывают сколь-нибудь значимого влияния на ширины спектральных линий;
- В источнике существует установившееся локальное термодинамическое равновесие;
- В источнике отсутствуют сильные электрические и магнитные поля;
- Распределение скоростей частиц в объекте максвелловское.
При этих условиях спектральные линии должны иметь гауссовы профили, описываемые следующим соотношением:
 , |
где I - интенсивность излучения на частоте v, I0 интенсивность в центре спектральной линии (яркость линии), v0 положение центра линии, vd полуширина линии. Спектр такой линии приведен на рис. 1.
 |
| Рис. 1. |
В нашем случае имеется не одиночная линия, а триплет компонент сверхтонкого расщепления перехода J=4-3, в котором боковые компоненты сдвинуты по скорости относительно центральной на 0,769 км/с (F -> F'=3-2) и -0,277 км/с (F -> F'=5-4).
Следовательно, в зависимости от ширины линий будет наблюдаться одна из трех картин: бленда из трех компонент, одна отдельная компонента и бленда из двух других, либо будут разделяться все три компоненты.
Доплеровская полуширина линии (Vd) определяется следующим соотношением:
 , |
где T кинетическая температура источника, m масса молекулы, Vt скорость микротурбулентных движений в облаке, k постоянная Больцмана.
Температуры большинства молекулярных облаков находятся в промежутке от 10K до 30K, а скорости микротурбулентных движений в них не превышают 0,01 км/с. Следовательно, ширины спектральных линий оказываются в промежутке от 0,05 км/с до 0,3 км/с. При этом видно, что микротурбулентные движения не оказывают значимого влияния на ширины линий.
Предполагалось, что кинетическая температура источника составляет 20К, ширина компонент сверхтонкого расщепления в этом случае около 0,16 км/с. Тогда будет наблюдаться спектр в виде одной бленды и одной отдельной (разрешенной на спектре) компоненты:
 |
| Рис. 2. |
Вертикальная ось соответствует интенсивности (произвольные единицы), горизонтальная скорости относительно местного стандарта покоя.
На этом рисунке изображен неискаженный спектр, получающийся согласно предложенной модели. Что мы получим на выходе спектрального анализатора, во многом зависит от спектрального разрешения и уровня шума системы радиотелескопа.
Рассмотрим, какое влияние окажет на результат наблюдений применение различного спектрального разрешения.
Стандартно применяющееся разрешение при наблюдениях на РТ-22 составляет 25 кГц/канал (0.2км/с на канал). При этом получаемый спектр будет выглядеть примерно следующим образом:
 |
| Рис. 3. |
На одну компоненту приходится не более четырех каналов спектрального анализатора. Очевидно, что при таком разрешении трудно говорить даже о приближенном прописывании профиля линии, не говоря уже об исследовании особенностей этих профилей.
Увеличение спектрального разрешения до 2 кГц/канал даст наблюдателю следующий результат:
 |
| Рис. 4. |
Очевидно, что такая спектрограмма несет в себе гораздо больше информации, нежели предыдущая. Анализируя ее можно определить интенсивности спектральных компонент и выявить особенности профилей линий.
Теперь рассмотрим влияние шума системы радиотелескопа на получающийся результат. Для этого в модельный спектр добавляем шум на уровне 3% максимальной интенсивности линии. Рисунок 2, соответствующий спектральному разрешению 25 кГц/канал преобразится следующим образом:
 |
| Рис. 5. |
При увеличении спектрального разрешения в n раз шум возрастает в 
раз, то есть при увеличении спектрального разрешения до 2 кГц/канал уровень шума составит уже 10,5%. Тогда рисунок 6 станет таким:
 |
| Рис. 6. |
Слишком высокий уровень шума практически сводит на нет преимущества высокого спектрального разрешения, так как мелкие детали профилей теряются.
Зависимость уровня шума от характеристик телескопа определяется следующим соотношением:
 , |
где Tsys - шумовая температура системы, К; R - ширина спектральной полосы наблюдений, кГц; t время интегрирования, с. Следовательно, для того, чтобы получить шум на прежнем уровне, время интегрирования необходимо увеличить пропорционально уменьшению спектральной полосы (увеличению спектрального разрешения).
Чувствительность приемной аппаратуры определяется шумовой температурой. Увеличение температуры шума системы в n раз приведет к увеличению времени интегрирования, требуемого для получения того же отношения сигнала к шуму, в n2 раз. В нашем случае необходимое время интегрирования при проведении наблюдений с разрешением 2 кГц/канал составляет порядка 25 часов при шумовой температуре 250К. При температуре более 400К время интегрирования возрастает до неприемлемых значений.
По различию частот компонент сверхтонкого легко рассчитать, что ширина полосы приема должна быть не меньше 200 кГц, т.е. используемый при наблюдениях спектральный анализатор должен иметь не менее 100 каналов. При выполнении всех перечисленных условий результирующая спектрограмма должна выглядеть подобно приведенной на рисунке 7, что соответствует требованиям поставленной задачи.
 |
| Рис. 7. |
Итак, по результатам моделирования были получены необходимые технические требования к аппаратуре для проведения наблюдений:
- Приемлемое спектральное разрешение анализатора составляет 2 кГц/канал;
- Спектральный анализатор должен иметь суммарно не менее 100 каналов;
- Шумовая температура радиотелескопа не должна превышать 400K.
<< 1. Цианоацетилен (HC3N) ... | Оглавление | 3. Разработка и реализация ... >>