[論文レビュー] Measurement of core-shifts with astrometric multi-frequency calibration

María Rioja, Richard Dodson+3 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2005

Calibration and Measurement Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、二帯域S/XバンドVLBI観測を用いて、銀河系外電波源における周波数依存性のあるコアシフトを測定することを目的とした、新規のアストロメトリックな多周波数キャリブレーション手法、Source/frequency phase referencingを提案する。低周波数の位相解を用いて高周波数データをキャリブレートし、電離層分散を補正することで、正確なコアシフト測定が可能となる。この手法により、標準的な位相参照法が機能しない高周波数帯域においても、高精度なアストロメトリが実現可能となる。実際のクェザー1038+528 Aで1.2 masのコアシフトを成功して測定したことで、この手法の有効性が検証された。

ABSTRACT

VLBI is unique, among the space geodetic techniques, in its contribution to defining and maintaining the International Celestial Reference Frame, providing precise measurements of coordinates of extragalactic radiosources. The quest for increasing accuracy of VLBI geodetic products has lead to a deeper revision of all aspects that might introduce errors in the analysis. The departure of the observed sources from perfect, stable, compact and achromatic celestial targets falls within this category. This paper is concerned with the impact of unaccounted frequency-dependent position shifts of source cores in the analysis of dual-band S/X VLBI geodesy observations, and proposes a new method to measure them. The multi-frequency phase transfer technique developed and demonstrated by Middelberg et al. (2005) increases the high frequency coherence times of VLBI observations, using the observations at a lower frequency. Our proposed SOURCE/FREQUENCY PHASE REFERENCING method endows it with astrometric applications by adding a strategy to estimate the ionospheric contributions. Here we report on the first successful application to measure the core shift of the quasar 1038+528 A at S and X-bands, and validate the results by comparison with those from standard phase referencing techniques. In this particular case, and in general in the cm-wavelength regime, both methods are equivalent. Moreover the proposed method opens a new horizon with targets and fields suitable for high precision astrometric studies with VLBI, especially at high frequencies where severe limitations imposed by the rapid fluctuations in the troposphere prevent the use of standard phase referencing techniques.

研究の動機と目的

• 二帯域S/Xバンド地球測地VLBI観測において、無視されがちな周波数依存性コアシフトが、電離層を除いた遅延推定に系統的誤差をもたらす問題に対処すること。
• 特に電離層および対流圏の不安定性が標準的位相参照法の適用を制限する高周波数帯域において、センチメートル波長帯域以降の高精度アストロメトリック測定を可能にする手法を開発すること。
• 実際のクェザー源におけるコアシフト測定を通じて、この手法を検証し、既存の位相参照技術と比較すること。
• 電離層補正戦略を組み込んだ多周波数位相転送技術を、アストロメトリ的応用に適応可能であることを示すこと。
• 急速な電離層および機器的位相変動により、従来は利用できなかった源や周波数帯域へのVLBIアストロメトリの適用範囲を拡大すること。

提案手法

• 本手法は、標的源（A）と近接したキャリブレータ（B）の同時Sバンド（2.2 GHz）およびXバンド（8.4 GHz）観測を用い、周波数間で位相参照を可能にする。
• 低周波数（Sバンド）の位相解を自己キャリブレーションし、周波数比 R = ν_x / ν_s を用いてスケーリングすることで、高周波数（Xバンド）データの補正を行い、対流圏および機器的誤差を低減する。
• 主な革新点は、電離層分散を考慮するために (R - 1/R) × φ_ion^s 項を保持することであり、これにより、源が近接している場合に差分電離層補正が可能になる。
• キャリブレート済み位相差 (φ_A^x - R·φ_A^s) - (φ_B^x - R·φ_B^s) は、電離層および機器的汚染から独立した構造的コアシフト成分を明確に分離する。最適な観測計画のもとで、この差分は、電離層および機器的要因の影響を受けることがない。
• 本手法は、電離層および機器的変動がAおよびBで類似しているという仮定に依存しており、その時間スケールが一致するため、差分項が相殺される。
• 最終的なキャリブレート済みビジビリティは画像化され、AとB間の合成コアシフトが推定される。画像中心からのオフセットが、直接的なコアシフト測定値を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電離層の不安定性により標準的位相参照法が機能しない状況下でも、二帯域S/XバンドVLBI観測を用いて、銀河系外電波源のコアシフトを正確に測定できるか？
• RQ2 無視されたコアシフトが、測地VLBIで用いられる電離層を除いた遅延推定に、どの程度の系統的誤差をもたらすか？
• RQ3 電離層補正戦略を組み込んだ多周波数位相転送技術を、アストロメトリ的応用に適応可能か？
• RQ4 本手法であるSource/frequency phase referencingは、センチメートル波長帯域において、標準的位相参照法と比較してどの程度の精度を達成できるか？
• RQ5 この手法が、従来の位相参照法が機能しない高周波数帯域における高精度アストロメトリを実現する可能性はどの程度か？

主な発見

• 本手法は、クェザー1038+528 AのSバンドとXバンド間で約1.2ミリアーキセコンド（mas）のコアシフトを成功して測定した。これは、顕著な周波数依存性コア位置が存在することを確認するものである。
• 測定されたコアシフトは、標準的位相参照技術の結果と整合的であり、本手法の正確性および信頼性がセンチメートル波長帯域で裏付けられた。
• 周波数比スケーリングにより、対流圏位相誤差が効果的にキャンセルされる一方で、電離層分散項は保持され、近接源間の差分キャリブレーションにより補正される。
• 急速な電離層変動が通常標準的位相参照法の使用を不可能にする高周波数帯域においても、本手法により高精度アストロメトリが可能となり、利用可能な標的の範囲が拡大される。
• 本手法は、平坦スペクトル源において最大1.5 masのコアシフトが物理的に妥当であることを示しており、特にk_r ≈ 1の源において、天文学的コアシフトの理論的予測を支持する。
• 源切り替えのドリフト周期が電離層および機器的時間スケールと一致する場合、本手法は、電離層および機器的項における差分誤差を最小限に抑えるという点で頑健である。