SKA-VLBI有望通过宇宙微波脉泽彻底改变银河系测绘
精选图片: 西澳大利亚SKA-Low站阵列的艺术构想图，叠加展示了脉泽源追溯银河系旋臂的示意图。 [图片来源: SKA Observatory / CSIRO]
发表在arXiv上的一项新研究概述了Square Kilometre Array的超长基线干涉测量能力（即SKA-VLBI）将如何利用宇宙微波脉泽作为精密信标，改变我们对银河系结构的理解。这篇论文回顾了银河脉泽天体测量的现状，并展望了SKA时代，认为灵敏度和天空覆盖范围的飞跃将提供首个完整、独立于模型的银河系三维地图。
宇宙微波脉泽是射电版本的激光器。它们自然存在于恒星形成区域和演化恒星中，在特定频率放大射电辐射，产生异常明亮且致密的源，可在整个银河系中被探测到。由于脉泽辐射来自仅数十天文单位大小的区域，脉泽可作为天体测量中近乎理想的点源。当使用连接各大洲射电望远镜的VLBI技术观测时，它们能够产生精度达数微角秒的视差测量值。
当前的脉泽天体测量项目，特别是日本的VERA项目和棒旋结构遗留巡天（BeSSeL），已测量了银河系中约200个脉泽。这些观测提供了银河系是四臂旋涡星系的第一个直接证据，测量了银河系中心距离为8.2千秒差距，并揭示了银河系棒的运动学特征。但现有样本严重偏向北半球。只有1个脉泽在银河系中心以外被测量，第四象限基本上完全未被测绘。
样本量增加十倍
SKA-VLBI将彻底改变这一局面。凭借其灵敏度，SKA将能够探测到比当前阵列暗10倍以上的脉泽，将可观测样本从约200个增加到2,000个以上。SKA位于南半球西澳大利亚的默奇森射电天文台，可观测银河系中心和第四象限，这些区域从北半球阵列几乎不可见。
天体测量精度的提升同样显著。当前VLBI阵列对最亮脉泽的视差测量精度约为10至20微角秒。SKA-VLBI结合了SKA的收集面积与现有VLBI基础设施，将把精度推进到1至3微角秒。在10千秒差距的距离上，这对应约5%的距离不确定性，而当前阵列的误差为20%至50%。
论文认为，这一精度将首次实现真正独立于模型的银河系旋臂结构几何重建。关键目标是6.7 GHz和12.2 GHz的甲醇脉泽，它们仅与大质量恒星形成区域相关。由于大质量恒星只在旋臂中形成，甲醇脉泽可作为银河系旋臂结构的直接示踪物。22 GHz的水脉泽和1.6 GHz的羟基脉泽将在后续SKA阶段中可观测。
悬而未决的问题
现有的银河系地图存在根本性的模糊性。银河系有两个主导旋臂还是四个仍存在争议，这种不确定性波及到恒星形成、银河动力学甚至暗物质分布的模型。银河系棒的几何形状、神秘的3千秒差距臂的性质以及恒星盘的标长都存在争议。
论文预测，大约200个甲醇脉泽的样本就足以将旋臂追溯到17千秒差距，臂宽精度约为0.3千秒差距。对于目前仅有15个脉泽具有可靠测量值的银河系棒，SKA-VLBI可将样本增加到200个以上，从而能够以数量级更高的精度确定棒的三维形态和模式速度。
棒当前的最近拟合参数，半长轴4.0千秒差距和定向角36度，存在相当大的不确定性。SKA-VLBI数据将锁定这些参数，同时测试棒是否具有显著的垂直分量，这一问题关系到棒如何将气体向银河系中心输送。
效率提升
除了灵敏度和天空覆盖范围之外，SKA-VLBI还提供了观测效率的显著提高。当前的脉泽天体测量项目需要数千小时的望远镜时间，分布在多年内累积天体测量信号。SKA-VLBI将在每个源约300小时内达到同等精度，并且能够在同一主波束内同时观测多个脉泽，这意味着可以更快地构建大样本。
论文估计，对银河系中2,000个脉泽的综合巡天可在SKA运行后的几年内完成，提供将作为数十年银河天文学参考框架的遗产数据集。
预印本可在arXiv上获取，编号为2606.27692。
婷 翻译