[论文解读] First Light for GRAVITY Wide: Large Separation Fringe Tracking for the Very Large Telescope Interferometer

GRAVITY Collaboration, :+115 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 8

一句话总结

本论文提出GRAVITY Wide，一种甚大望远镜干涉仪（VLTI）的新颖大间距条纹追踪模式，通过在天空中对暗弱、广泛分离的目标实现毫角秒分辨率的干涉测量，扩展了GRAVITY的天区覆盖范围。该模式利用大气非等相性与光瞳重叠效应，在长达数十角秒的间距下维持相干性，成功实现了对红移z=2.46、视星等mK=15.6的类星体的首次光观测——这是迄今通过红外干涉测量观测到的最暗弱的河外天体。

ABSTRACT

GRAVITY+ is the upgrade of GRAVITY and the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) with wide-separation fringe tracking, new adaptive optics, and laser guide stars on all four 8~m Unit Telescopes (UTs), for ever fainter, all-sky, high contrast, milliarcsecond interferometry. Here we present the design and first results of the first phase of GRAVITY+, called GRAVITY Wide. GRAVITY Wide combines the dual-beam capabilities of the VLTI and the GRAVITY instrument to increase the maximum separation between the science target and the reference star from 2 arcseconds with the 8 m UTs up to several 10 arcseconds, limited only by the Earth's turbulent atmosphere. This increases the sky-coverage of GRAVITY by two orders of magnitude, opening up milliarcsecond resolution observations of faint objects, and in particular the extragalactic sky. The first observations in 2019 - 2022 include first infrared interferometry of two redshift $z\sim2$ quasars, interferometric imaging on the binary system HD 105913A, and repeated observations of multiple star systems in the Orion Trapezium Cluster. We find the coherence loss between the science object and fringe-tracking reference star well described by the turbulence of the Earth's atmosphere. We confirm that the larger apertures of the UTs result in higher visibilities for a given separation due to larger overlap of the projected pupils on sky and give predictions for visibility loss as a function of separation to be used for future planning.

研究动机与目标

• 通过实现对超出等相斑范围的暗弱、广泛分离目标的观测，克服传统干涉测量的天区覆盖限制。
• 将甚大望远镜干涉仪（VLTI）上GRAVITY仪器的运行范围扩展至包括相距数个十角秒的非轴向目标。
• 通过改进对暗弱、非轴向参考恒星的条纹追踪性能，实现对河外源（特别是高红移类星体）的近红外干涉测量。
• 表征大气湍流对大间距干涉测量中相干性的影响，为未来观测策略提供依据。
• 通过验证关键性能指标与运行模式，为GRAVITY+全面升级奠定基础，支持未来高灵敏度、全天区观测。

提出的方法

• 利用GRAVITY仪器与VLTI实现双光束条纹追踪，相干组合来自相距达数十角秒的科学目标与参考恒星的光。
• 利用8米单元望远镜（UTs）提高天空中的光瞳重叠度，相比1.8米辅助望远镜（ATs），在更大间距下增强可见度与相干性。
• 基于Elhalkouj等人（2008）的理论框架，使用非等相角与视宁度条件建模大气相干性损失，预测可见度随间距增加而退化的趋势。
• 在所有四台8米UT上应用自适应光学与激光导星，以稳定波前，提升对更暗目标的灵敏度。
• 使用JMMC Aspro与LITpro工具识别适合条纹追踪目标，用于观测提案准备。
• 对类星体、双星系统（如HD 105913A）及猎户座梯形星团中的多星系统开展首次光观测，以验证新模式性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VLTI上进行大间距干涉观测时，大气非等相性在多大程度上限制了相干性？
• RQ2 天空中光瞳重叠如何影响科学目标与参考恒星间大间距下的可见度与条纹追踪性能？
• RQ3 在8米UT上，GRAVITY实现稳定条纹追踪的科学目标与参考恒星之间的最大可实现间距是多少？
• RQ4 GRAVITY Wide能否在暗弱河外目标（如高红移类星体）上实现可靠的干涉条纹？
• RQ5 在大间距观测中，8米UT与1.8米AT在可见度与相干性方面表现如何比较？

主要发现

• GRAVITY Wide成功在红移z=2.46、视星等mK=15.6的类星体上实现首次光干涉条纹，创下迄今通过红外干涉测量观测到的最暗弱河外天体纪录。
• 科学目标与条纹追踪参考恒星之间的最大间距从2角秒扩展至数十角秒，其上限仅受大气湍流限制。
• 可见度随间距增加的损失可被大气非等相性良好描述；由于天空中光瞳重叠更大，8米UT的可见度高于1.8米AT。
• 仪器在猎户座梯形星团中的多个双星系统上实现了稳定条纹追踪，为多个成员提供了更新的轨道解。
• 对双星系统HD 105913A成功实现了干涉成像，证实了对近距离恒星系统实现高对比度、高分辨率成像的能力。
• 结果预测，未来的GRAVITY+升级（配备激光导星与先进自适应光学）将使条纹追踪能力扩展至视星等mK=13的恒星，并实现对mK≈22目标的观测，使可观测的活动星系核（AGN）数量扩展至超过1000个，覆盖宇宙时空中更广阔范围。