[論文レビュー] VLBA Scientific Memorandum 31: ASTRONOMICAL CALIBRATION OF mm-VLBI USING SOURCE FREQUENCY PHASE REFERENCED OBSERVATIONS

Richard Dodson, María Rioja|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高速周波数スイッチングと源スイッチングを組み合わせることで、従来の位相参照法が失敗するミリメートル波長帯で高精度なastrometryを可能にする、新規なVLBI技術、Source/Frequency Phase Referencing (SFPR) を導入する。この手法は、VLBAを用いて86 GHz帯でミリ秒以下という高精度なastrometryを実証し、SFPRがミリメートル波長帯VLBIastrometryの唯一の実用的手段であることを確立した。

ABSTRACT

In this document we layout a new method to achieve bona fide high precision Very-Long-Baseline-Interferometry (VLBI) astrometric measurements of frequency-dependent positions of celestial sources (even) in the high (mm-wavelength) frequency range, where conventional phase referencing techniques fail. Our method, dubbed Source/Frequency Phase Referencing (SFPR) combines fast frequency-switching (or dual-frequency observations) with the source switching of conventional phase referencing techniques. The former is used to calibrate the dominant highly unpredictable rapid atmospheric fluctuations, which arise from variations of the water vapor content in the troposphere, and ultimately limit the application of conventional phase referencing techniques; the latter compensates the slower time scale remaining ionospheric/instrumental, non-negligible, phase variations. For cm-VLBI, the SFPR method is equivalent to conventional phase referencing applied to the measurement of frequency-dependent source positions changes (core-shifts). For mm-VLBI, the SFPR method stands as the only approach which will provide astrometry. In this memo we layout the scope and basis of our new method, along with a description of the strategy and a successful demonstration of the application of this new astrometric analysis technique to the highest frequency VLBA observations, at 86 GHz. Our previous comparative astrometric analysis of cm-VLBI observations, presented elsewhere, produced equivalent results using both methods.

研究の動機と目的

• ミリメートル波長帯VLBIにおける従来の位相参照法の限界を解消する。特に、水蒸気による対流圏の位相揺らぎが急速に発生し、astrometric精度を著しく低下させる要因となる。
• 高周波数のミリメートル波長帯で真正の高精度astrometryを達成可能な、頑健なキャリブレーション技術を開発すること。
• SFPRが、急速な大気的（対流圏）および遅い電離圏／機器的位相変動を効果的に補正できることを示すこと。
• 従来の技術が失敗するミリメートル波長帯VLBI帯域におけるastrometric測定のための唯一の実用的手段としてSFPRを確立すること。

提案手法

• 急速かつ予測不能な位相揺らぎ（対流圏水蒸気変動に起因）を補正するために、2つの観測周波数間での高速周波数スイッチングを採用する。
• 同時に、電離圏遅延および機器不安定性に起因する遅い時系列の位相変動を補正するために、源スイッチングを適用する。
• 周波数スイッチングと源スイッチングの組み合わせにより、データ内での大気的、電離圏的、機器的位相寄与を分離可能となる。
• コンパクトな電波源における周波数依存性のあるコアシフト効果を、高周波数帯でのastrometricキャリブレーションの基準として活用する。
• 大気的条件が厳しい86 GHz帯でのVLBA観測を用いて、手法の妥当性を検証する。
• この手法は、コアシフト測定に適用された場合、cm-VLBIにおける従来の位相参照法と数学的に同等であるが、唯一、ミリメートル波長帯VLBIastrometryを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数スイッチングと源スイッチングを組み合わせたハイブリッド位相参照法が、ミリメートル波長帯VLBIにおける従来の位相参照法の限界を克服できるか？
• RQ2 高速周波数スイッチングは、水蒸気変動に起因する急速な対流圏位相揺らぎをどの程度低減できるか？
• RQ3 この手法は、高周波数VLBI観測における遅い電離圏および機器的位相変動を効果的に補正できるか？
• RQ4 従来の技術が失敗するミリメートル波長帯で、SFPRが唯一の実用的手段であるか？
• RQ5 86 GHz帯におけるastrometric精度の観点から、SFPRは従来の位相参照法と比べてどの程度優れているか？

主な発見

• SFPR手法は86 GHz帯で高精度なastrometryを実現し、ミリメートル波長帯VLBI応用への実用性を示した。
• 急速な対流圏位相変動と遅い電離圏／機器的位相変動の両方を効果的にキャリブレーションすることで、ミリ秒未満のastrometric精度を達成した。
• 実際のVLBA観測（86 GHz）を用いた検証により、手法の実用的妥当性と頑健性が確認された。
• SFPRは、ミリメートル波長帯VLBI帯域で真正の高精度astrometryを提供可能な唯一の既知の手法である。
• 86 GHz帯での結果は、コアシフト測定に従来の位相参照法を適用したcm-VLBIの結果と一致し、原則的に同等の手法的妥当性を裏付けた。
• 従来の位相参照法がミリメートル波長帯VLBIで根本的に無効となるという制限要因を、本手法は克服した。