CC BY
2
АСТРОФИЗИЧЕСКИЙ БЮЛЛЕТЕНЬ, 2023, том 78, № 1, с. 112-123
УДК 524.7-77:520.8.07:520.27
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЛИБРОВОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ЧАСТОТАХ
22 И 37 ГГц НА РТ-22 КРАО РАН
© 2023 Ю. В. Сотникова1*, Ю. А. Ковалев2, A. Н. Ермаков2, Л. Н. Вольвач3, А. Е. Вольвач3
1Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Нижний Архыз, 369167 Россия 2Астрокосмический центр Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, 117997 Россия 3Крымская астрофизическая обсерватория РАН, Научный, 298409 Россия Поступила в редакцию 14 августа 2022 года; после доработки 27 декабря 2022 года; принята к публикации 29 декабря 2022 года
Представлены результаты измерений спектральных плотностей потоков радиоизлучения 19 калибровочных объектов на полноповоротном телескопе РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории РАН на частотах 22.2 и 36.8 ГГц в 2017—2020 гг. Из них около половины относятся к общепринятым вторичным стандартам с периодически контролируемыми значениями плотностей потоков на радиочастотах. Измерения проведены для уточнения калибровочных измерений на радиотелескопе РАТАН-600 на высоких частотах. Специфика меридианных наблюдений РАТАН-600 требует иметь «сетку» калибровочных объектов, распределенных по склонениям от -35° до +90°, вместо одного — трех общепринятых калибраторов, которых достаточно при наблюдениях на разных высотах с полноповоротной антенной. Оценена переменность радиоизлучения объектов с учетом данных измерений, взятых из литературы, и выполнена интерполяция результатов на частоту 30 ГГц. Получено, что переменность радиоизлучения на 22 ГГц на временах порядка 20—30 лет превышает 10% для объектов 4С+16.09 и 3С309.1. Обсуждаются планы проверки на РТ-22 измерений калибраторов с помощью новой методики, использующей генератор шумового сигнала как индикатор относительной точности плотностей потока радиоизлучения калибраторов.
Ключевые слова: методы: наблюдательные — телескопы — радиоконтинуум
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема калибровочных радиоисточников (калибраторов) с надежными значениями спектральных плотностей потоков их излучения существует давно и для большинства радиотелескопов. Связана она с тем, что первичные калибраторы Кассиопея А, Лебедь А, Дева А, Крабовидная туманность (Baars et al. 1977, Perley and Butler 2017), плотности потоков которых в диапазоне 0.05—12 ГГц измерены с типичной погрешностью около 1 %, — протяженные. Поэтому их далеко не всегда удобно использовать, а для больших антенн — практически невозможно.
Меридианный радиотелескоп РАТАН-600 (Parijskij 1993) является практически единственным отечественным радиоастрономическим инструментом коллективного пользования, работающим много лет, круглосуточно и круглогодично (Sotnikova 2020), с широкими возможностями измерений многочастотных (1.1, 2.3, 4.7, 8.2, 11.2,
E-mail: lacerta999@gmail.com
22.3 и 30 ГГц) и одновременных (на масштабах 3—5 минут) радиоспектров с плотностями потоков излучения на уровне десятых долей Янского в разовом прохождении — до 100 объектов в сутки. Однако для измерений исследуемых радиоисточников с точностью 2—10% (Коуа1еу е1 а1. 1999, БоЫкоуа е1 а1. 2019) ему необходим набор до 20 квазиточечных калибровочных объектов в диапазоне склонений от -35° до +90°, со спектрами, измеренными с максимально высокой точностью. Такой набор калибровочных объектов позволяет построить калибровочную зависимость, отражающую изменение эффективной площади антенны и атмосферного поглощения от высоты источников на коротких длинах волн при реальных абберациях из-за поперечного смещения первичных облучателей от электрической оси телескопа.
Из-за технических особенностей полноповоротным телескопам нужно в 5—10 раз меньше калибровочных объектов — достаточно пары надежных для того, чтобы построить зависимость изменений эффективной площади во всем интер-
вале рабочих высот или азимутов. В отличие от этого, инструменту меридианного типа необходима «сетка» многих калибраторов с хорошо известными и постоянными спектрами для калибровок многочастотных измерений плотностей потоков радиоизлучения. Но большинство из подходящих объектов имеет переменные спектры на временах больше или порядка года (Ott et al. 1994). Поэтому требуется периодический контроль за плотностями потоков их радиоизлучения, особенно на высоких частотах. Фактически, за предыдущие 40 лет только 5 работ были специально посвящены измерениям вторичных калибраторов в широком диапазоне частот, от 50 МГц до 50 ГГц, — на 100-м антенне в Эффельсберге (Германия), на антенной решетке VLA (США) и на 32-м антенне ИПА РАН (Россия) (Baarsetal. 1977, Ivanov et al. 2018, Ottetal. 1994, Perley and Butler 2013; 2017).
Целями настоящей работы являются:
1) новые измерения калибровочных источников на РТ-22 КрАО РАН на частотах 22.2 и 36.8 ГГц;
2) aнализ их радиоспектров для повышения надежности использования на радиотелескопе РАТАН-600 и на других телескопах в измерениях спектральных плотностей потоков излучения на высоких частотах.
2. ИССЛЕДУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ И ИХ НАБЛЮДЕНИЯ НА РТ-22
Список исследуемых калибровочных источников включает восемь вторичных стандартов: 3C 48, 3C 147, 3C 161, 3C 249.1, 3C 286, 3C 295, 3C 309.1, и NGC7027 (Baars et al. 1977, Ott et al. 1994). Еще одиннадцать источников являются калибраторами РАТАН-600: PKS 0023-26, PKS 0237-23, 4C +16.09, 4C +76.03, 3C138, PKS 1151-34, PKS 1245-19, 4C + 12.50, 4C +62.22, B2 2050+36 и PKS 2127+04. Их использование подробно описано в работах Aliakberov et al. (1985), Kovalev et al. (1999), Udovitskiy et al. (2016).
Наблюдения исследуемых источников на радиотелескопе РТ-22 (Симеиз) проводились на частотах 22.2 и 36.8 ГГц с использованием модуляционных радиометров в режиме диаграммной модуляции (Volvach et al. 2008). Ширина главного лепестка диаграммы направленности РТ-22 на частотах 22.2 и 36.8 ГГц составляет 150 и 100 угловых секунд (по уровню 0.5 от максимума) соответственно (Volvach et al. 2000; 2019). Точность наведения и сопровождения инструмента с учетом систематических ошибок — несколько угловых секунд (Nesterov et al. 2000). Точность отражающей поверхности РТ-22 (СКО = 0.21 мм) позволяет проводить наблюдения вплоть до длины волны 2 мм. Эффективная площадь антенны составляет 220 м2
на длине волны 8.2 мм. Она уменьшается примерно на 7% при отклонении температуры окружающего воздуха на 10°С в ту и другую сторону от 17.5°С. На частоте 36.8 ГГц эффективная площадь антенны сохраняется с точностью 5% при переустановке от зенита до угла места 15° (Volvach and Nesterov 2010).
В наблюдениях на частоте 36.8 ГГц мы использовали модуляционный супергетеродинный радиометр с неохлаждаемым параметрическим усилителем на входе, разработанный и изготовленный в ИКИ РАН (Strukov and Skulachev 1986). Радиометр имеет флуктуационную чувствительность 0.01 К при постоянной времени 1 с. Для измерения спектральной плотности потока на частоте 22.2 ГГц использовался радиометр с мазером на входе и с флуктуационной чувствительностью 0.03 К при постоянной времени 1 с. Применялось переключение главного лепестка диаграммы направленности телескопа между двумя направлениями, разнесенными на 8' и 12'5 на частотах 36.8 и 22.2 ГГц соответственно, в азимутальной плоскости с помощью двух облучателей со взаимно-ортогональными плоскостями поляризаций. Таким способом удавалось уйти от аномального спектра флуктуаций коэффициентов усиления усилителей вблизи нулевых частот. Как известно, использование модуляционного режима приема позволяет переместить спектр сигналов с нулевых частот на частоту переключений входных сигналов от двух входных рупоров, близкую к 103 Гц (Volvach et al. 2017). Дополнительным преимуществом используемого способа приема было снижение уровня флуктуаций неоднородностей атмосферы, которые существенны на см-мм длинах волн.
Перед измерением спектральной плотности потока излучения положение источника уточнялось сканированием по прямому восхождению и склонению. Затем радиотелескоп устанавливался на источник поочередно одним и другим входными рупорами, имеющими взаимно-ортогональные линейные поляризации. Антенная температура отклика источника определялась как разность между усредненными в течение 30 секунд откликами радиометра в двух указанных положениях антенны. В зависимости от отношения S/N отклика радиоисточника проводились серии из 30—60 измерений, после чего рассчитывалось среднее значение сигнала и оценивалась его среднеквадратичная ошибка. Ортогональная поляризация лепестков позволяла измерять полную интенсивность излучения от источника, независимо от поляризации излучения. Шумовые сигналы от внутреннего генератора шума (ГШ) подавались на входы приемников для калибровки приемных трактов по температуре и контроля усиления. Поглощение излучения в атмосфере Земли учитывалось методом «разрезов
Таблица 1. Принятые значения спектральных плотностей потоков (в Ян) источников, использовавшихся для калибровки РТ-22
Частота, ГГц Su, Ян
DR21 ЗС 274 Юпитер Сатурн
36.8 18.3 14.3 158 148
22.2 19.5 21.5 138 128
атмосферы», при которых фиксировались различия антенных температур на фиксированных углах места.
Измеренные с помощью ГШ значения антенных температур, исправленные за поглощение излучения в атмосфере Земли, пересчитывались в спектральную плотность потока по данным наблюдений калибровочных источников DR21, 3C 274, Юпитер и Сатурн (таблица 1). Пересчет антенных температур от радиоисточников в спектральную плотность потока производился с учетом зависимости эффективной площади антенны Aeff от угла места h. Значения Aeff, определенные по данным наблюдений калибровочных источников, использовались для нахождения зависимости эффективной площади от высоты, которая интерполировалась зависимостью с коэффициентами, вычисляемыми методом наименьших квадратов: Aeff = a sin h + b cos h + c. Нестабильности коэффициентов усиления радиометров, шумы аппаратуры, ошибки наведения телескопа и измерений коэффициентов поглощения излучения в атмосфере учитывались используемой методикой оценки ошибок. Среднеквадратичная ошибка измерений спектральной плотности потока определялась ошибкой измерений антенной температуры а\ и ошибкой аппроксимации эффективной площади о2. Типичные значения: а\ = (2—4)%, о2 = (3—6)%. Характерные ошибки измерений составляли величины (0.05—0.30) Ян в зависимости от потоков радиоисточников и суммарных ошибок наблюдений.
Результаты измерений вторичных стандартов и одиннадцати «ратановских» калибраторов представлены в таблицах 2 и 3. Для девяти калибраторов измерения получены на одну наблюдательную эпоху в 2020 году, для остальных — от двух до шести эпох.
3. РАДИОСПЕКТРЫ
Широкодиапазонные радиоспектры калибраторов строились с использованием новых измерений РТ-22 и литературных источников, в том числе заимствованных из базы данных
CATS1 — Astrophysical CATalogs Support system (Verkhodanov et al. 2005; 2009; 1997). Основные каталоги и частоты привлеченных литературных данных приведены в таблице 4. Радиоспектры строились в системе обработки спектров штатного пакета FADPS (Verkhodanov et al. 1997) с использованием модуля spg (SPectral Graphics) в плоскости «логарифм частоты v — логарифм плотности потока » и суммированы на рис. 1. Система позволяет строить графики спектров, устанавливать веса точек различными методами, аппроксимировать спектры набором кривых, задаваемых аналитически, рассчитывать значения спектральных индексов и спектральных плотностей потоков на заданных частотах.
Дополнительно рассчитывались спектральные плотности потоков калибраторов на 22, 30 и 37 ГГц из аппроксимаций их суммарных спектров полиномом первой степени. Диапазон частот аппроксимаций и полученные величины Sv указаны в таблицах 2—3. Ошибки рассчитанных таким образом значений Sv составляют 0.8—12% (медианное значение 3.5%).
4. ПЕРЕМЕННОСТЬ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
Переменность радиоизлучения объектов была оценена на частотах вблизи 22 и 37 ГГц. Для этого привлекались все измерения, используемые для построения радиоспектров (рис. 1). Литературные данные из CATS и работ Aliakberov et al. (1985), Baars et al. (1977), Ott et al. (1994), Perley and Butler (2013; 2017) использовались на центральных частотах, лежащих в пределах ширины полосы (20%) от центральной частоты наблюдений на РТ-22.
Измерения для вторичных стандартов на частоте вблизи 22 ГГц, взятые из Aliakberov et al. (1985), Baars et al. (1977), Ott et al. (1994), сделаны в 1984, 1976 и 1989 гг. соответственно, то есть временная шкала переменности радиоизлучения калибраторов из этих обзоров — более 30 и 40 лет. Измерения из остальных литературных источников (таблица 5) сделаны в основном на временном масштабе от 20 до 30 лет.
Для количественной оценки переменности рассчитывался индекс переменности VS (Aller et al. 1992):
(Smax — ^Smax) — (Smin + ^Smin )
Vs =
(1)
+ aSшЫ)
где £тах и £т;п — максимальное и минимальное значения измеренной спектральной плотности потока; 05шах и — ошибки их измерения. Отрицательное значение УВ соответствует случаю, когда
1https://www.sao.ru/cats/
Таблица 2. Результаты измерений восьми общепринятых вторичных калибраторов на РТ-22 в 2017—2020 гг.: колонки (1)—(3) — имя, унифицированное название в списке калибораторов и координаты радиоисточника; колонка (4) — эпоха наблюдений на РТ-22; колонки (5) и (6) — измеренные значения спектральных плотностей потоков и их погрешности а (в скобках) на частотах 22.2 и 36.8 ГГц; колонка (7) — диапазон частот, в котором рассчитывалась аппроксимация спектра; колонки (8)—(10) — спектральные плотности потоков (в Ян) на 22, 30 и 37 ГГц, рассчитанные из аппроксимаций суммарных радиоспектров
Источник ЯА, Эес 2000.0 Эпоха 5*22.2 (О"), Ян 5*36.8 (о"), Ян Дг/, ГГц 5*22 5зо 5*37
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)
2017.04 1.25(0.24) 0.70(0.12)
2017.10 1.24(0.21) 0.71 (0.11)
ЗС 48 .10137+33 013741.3+330935 2018.05 2018.11 2019.04 2020.03 1.23(0.19) 1.22(0.22) 1.22(0.21) 1.22(0.19) 0.73(0.11) 0.73(0.12) 0.73(0.14) 0.73(0.07) 3-60 1.22 0.90 0.73
2017.04 2.11 (0.31) 1.34(0.13)
2017.10 2.21 (0.28) 1.38(0.12)
ЗС 147 .10542+49 054236.1+495107 2018.05 2018.11 2019.11 2020.04 2.04(0.17) 2.04(0.28) 2.04(0.22) 2.02(0.17) 1.31 (0.11) 1.32(0.14) 1.30(0.15) 1.29(0.09) 4-60 2.02 1.55 1.29
ЗС 161 .10627-05 062710.1-055305 2020.04 1.69(0.24) 1.05(0.15) 5-60 1.48 1.10 0.90
ЗС 249.1 Л104+76 110413.7+765858 2020.04 0.10(0.11) 0.16(0.09) 1-40 0.13 0.09 0.07
ЗС 286 Л331+30 133108.3+303033 2020.04 2.53(0.24) 1.73(0.14) 4-60 2.56 2.05 1.77
ЗС 295 Л411+52 141120.5+521210 2020.04 0.87(0.17) 0.39(0.15) 4-60 0.96 0.64 0.49
ЗС 309.1 Л459+71 145907.6+714020 2020.05 1.00(0.21) 0.71 (0.16) 1-60 1.31 1.07 0.94
2017.10 5.35(0.29) 4.95(0.15)
ШС7027 Л2107+42 210701.5+421412 2018.05 2020.05 5.36(0.21) 5.35(0.18) 5.00(0.12) 5.00(0.09) 9-50 5.56 5.33 5.18
ошибки измеряемых величин больше их разброса. Такой подход лучше учитывает влияние ошибок измерений на значения индекса переменности. Погрешность индекса переменности оценивалась по приближенной формуле (3), следующей из соотношения (2), которое было получено из выражения (1) по методу распространения средних ошибок в пренебрежении слагаемыми с произведением ошибок:
2БттЛ/а«„ + (Бтах/Бтт)2а% ■
АУ3= -(2)
(Бтт + Бтах + О^тт - а^шах)2 (О^тт + О^тах )
дк<
(3)
(Бтт + Бтах)2
При переходе от (2) к (3) мы дополнительно
пренебрегли разностью ошибок в знаменателе (2) и приближенно заменили корень квадратный в (2) на сумму ошибок в (3). Впервые соотношение (3) было использовано Олегом Верходановым при разработке им первого комплекса программ обработки и анализа наблюдений на РАТАН-600 в 1980-1990-е годы.
Спектральный индекс а определен согласно степенному закону Б ~ Vа, где — спектральная плотность потока на частоте V, а а — наклон спектра. Он вычислен по стандартной формуле:
а
^ и2 ~ ^ VI '
(4)
где Б и Б2 — спектральные плотности потоков на частотах v1 и v2 соответственно.
Таблица 3. Результаты измерений 11 вторичных калибраторов РАТАН-600 на РТ-22 в 2017—2020 гг.: колонки (1)—(3) — имя, унифицированное название в списке калибраторов и координаты радиоисточника; колонка (4) — эпоха наблюдений на РТ-22; колонки (5)—(6) — измеренные значения спектральных плотностей потоков и их погрешности а (в скобках) на частотах 22.2 и 36.8 ГГц; колонка (7) — диапазон частот, в котором рассчитывалась аппроксимация спектра; колонки (8)—(10) — спектральные плотности потоков (в Ян) на 22, 30 и 37 ГГц, рассчитанные из аппроксимаций суммарных радиоспектров
Источник ЯА, Эес 2000.0 Эпоха 5*22.2 (О"), Ян 5*36.8 (о"), Ян Дг/, ГГц 5*22 5зо 5*37
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)
РКБ 0023-26 .10025-26 002549.1-260213 2017.04 2017.10 2018.05 2018.11 2020.05 1.46(0.29) 1.51 (0.21) 1.51 (0.24) 1.50(0.19) 1.41 (0.11) 0.36(0.08) 0.36(0.09) 0.36(0.08) 0.36(0.09) 0.36(0.13) 5-70 0.89 0.62 0.49
РКБ 0237-23 .10240-23 024008.2-230916 2017.04 2017.10 2018.05 2018.11 2020.04 0.62(0.25) 0.61 (0.23) 0.61 (0.21) 0.61 (0.23) 0.68(0.23) 0.34(0.12) 0.34(0.10) 0.34(0.12) 0.33(0.12) 0.36(0.12) 10-50 0.66 0.46 0.36
4С+16.09 Л0318+16 031857.8+162833 2017.04 2018.05 0.73(0.25) 0.73(0.23) 0.21 (0.08) 0.21 (0.09) 5-60 0.49 0.33 0.26
4С +76.03 Л0410+76 041045.6+765645 2017.10 2018.11 1.19(0.24) 1.19(0.25) 0.7(0.11) 0.71 (0.13) 5-60 1.10 0.89 0.77
ЗС 138 Л0521+16 052109.9+163822 2017.04 2017.10 2018.05 2018.11 2020.04 1.12(0.27) 1.12(0.22) 1.11 (0.21) 1.11 (0.22) 1.12(0.23) 0.65(0.11) 0.67(0.12) 0.65(0.12) 0.65(0.11) 0.71 (0.08) 5-60 1.18 0.91 0.76
РКБ 1151-34 Л 154-35 115421.8-350529 2020.04 0.84(0.23) 0.32(0.16) 20-60 0.90 0.56 0.41
РКБ 1245-19 Л248-19 124823.9-195919 2020.05 1.00(0.21) 0.22(0.17) 20-50 0.68 0.40 0.28
4С+12.50 Л347+12 134733.3+121724 2020.04 1.59(0.14) 0.52(0.09) 2-60 1.03 0.85 0.75
4С +62.22 Л1400+62 140028.6+621039 2018.11 2020.04 0.50(0.21) 0.49(0.18) 0.29(0.12) 0.29(0.15) 3-60 0.54 0.43 0.36
В22050+36 Л2052+36 205252.0+363535 2018.05 2020.03 2020.05 0.92(0.19) 0.91 (0.19) 0.59(0.17) 0.28(0.13) 0.28(0.13) 0.28(0.11) 5-60 0.69 0.48 0.38
Р КБ 2127+04 ]2130+05 213032.9+050217 2020.05 0.59(0.17) 0.28(0.11) 5-60 0.54 0.39 0.32
Таблица 4. Основные обзоры радиоисточников, использованные при построении радиоспектров на рис. 1. В колонках указаны частота измерений в ГГц, литературная ссылка, название каталога, согласно CATS (при наличии)
Частота, ГГц Ссылка Каталог
1.4-22.2 Baarset al. (1977)
1.4-43.2 Ott et al. (1994)
0.96, 1.4, 2.3, 3.6, 3.9, 4.8, 7.7, 11.2, 21.7 Aliakberov et al. (1985)
1-50 Perleyand Butler (2013)
0.05-50 Perley and Butler (2017)
0.072-0.231 Hurley-Walker et al. (2017) GLEAM
0.15 Interna et al. (2017) TGSS
1.4 Condon et al. (1998) NVSS
2-4 Lacy et al. (2020) VLASS
4.8 Gregory et al. (1996) GB6
8.4 Healeyet al. (2007) VLA
0.96, 2.3,3.9, 7.7, 11.2,21.7 Kovalevet al. (1999) KOV97
4.6, 8.6, 18.4,20 Murphy et al. (2010) AT20G
2.3, 3.9,7.7, 11.2,21.7 Mingaliev et al. (2001) NCPMi
0.96, 2.3,3.9, 7.7, 11.2 Mingaliev et al. (1998) PMNMi
0.325,0.608, 1.38, 1.63, 2.3,2.69 Stanghellini et al. (1998) GPSSt
0.96, 2.3,3.9, 7.7, 11.2,21.7 Kiikov et al. (2002) SRCKi
22.2, 36.8 Vol'vach et al. (2007) SRCVV
43 VLA calibrators" VLAC list
https://science.nrao.edu/facilities/vla/observing/callist
Значения индексов переменности радиоизлучения V22 и V37 на частотах вблизи 22 и 37 ГГц с погрешностью (3), выраженной в процентах, приведены в таблице 5. Прочерк соответстствует отрицательному значению VS; обозначение «no data» соответствует случаям отсутствия любых измерений, кроме измерения РТ-22 на одну эпоху, согласно таблицам 2—3. В этом случае нельзя оценить индекс переменности.
В результате оценки переменности радиоизлучения с помощью (1) и (3) на частотах 22 и 37 ГГц с получено, что для большинства вторичных стандартов вариации спектральной плотности потока составляют несколько процентов или не превышают ошибок их измерений. Исключение составляют 3C 295 и 3C 309.1, для которых индекс переменности V22 порядка 10% и 22% соответственно. На частоте 37 ГГц для них получены отрицательные значения V37. При этом квазар 3C 309.1 в работе Ott et al. (1994) рекомендован к использованию для калибровки с учетом его долговременной переменности Klein and Stelzried (1976).
Для двух вторичных стандартов, 3C 161 и
3С 249.1, переменность не оценена, так как имеются только новые данные РТ-22 на одну эпоху наблюдений.
Отрицательные значения У22 получены для трех из одиннадцати «ратановских» калибровочных источников — 3С138, Л154-35, 4С +62.22; для восьми объектов значения индекса переменности У22 оказались в пределах 0.03-0.11. Оценки переменности на 37 ГГц сделаны только для двух «ратановских» калибраторов — 4С +76.03 и 3С 138.
У большинства радиоисточников спектры на высоких частотах крутые, со спектральными индексами а22-37 от -0.7 до -1.3. Для трех объектов (4С +76.03, 4С +12.50, 3С 309.1) получены спектральные индексы а22-37 ~ -0.6, что указывает на возможность переменного радиоизлучения и необходимость их систематического контроля на высоких частотах.
По наблюдениям на РТ-22 КрАО в период 2017-2020 гг. не обнаружено значимой переменности спектральных плотностей потоков объектов.
= 1 МММ 1 II IIII 1 и 1111 1 1 1 1 1111 = J0025-26 :
10 — ^jB&lKr, * О —
; 1 =
- -
« :
1 Г
- О CATS f :
- ▲ Aliak erov 1985
0.1 - • RT-22
~ | ...... ........ | ......i ........i ■
10
0.01 0.1
10
0.1
10
100
10
0.1
10 100 0.01 0.1
• J0137+33 -
r 4 Jo ч : \ 1
" • Г • Perley 2017 Baars 1977 Ott 1994
RT-22
10 100
J0240-23 Ю
J0318+16
'0,-
Qi
сс^
0.1
10 100
I I I I I | I I Mill
J0410+76
о а
0.1
10
У
0.1
10
I I I Г~Г~
J0521+16
ч.
%
к
I
>
0.1
10
0.1
10
J0542+49
J0627-05
100
10
1
0.01 0.1 1 10 100 0.01 0.1 1 10 100
Frequency, GHz
Рис. 1. Суммарные спектры калибровочных объектов. Пунктиром показана линейная аппроксимация (параметры приведены в колонке (7) таблицы 5). Измерения РТ-22 показаны красными кружками, измерения Baars et al. (1977) и Ott et al. (1994) — черными кружками и серыми квадратами соответственно, данные из Aliakberov et al. (1985) — серыми треугольниками, фиолетовые кружки — спектральные плотности потоков из работ Perley and Butler (2013; 2017). Измерения из CATS показаны сине-зелеными пустыми кружками.
100
10
0.1
............. ................
: П J1104+76 :
- Ы о -
- о -
<11
: CP :
1 D. 1
л
О
! о CATS • ;
- • Baars 1977 • • -
■ Ott 1994
г • RT-22 t "
........ ..... и i ......... i ii III
0.01 0.1
I I I 11 I I
10 -
10
Г| I I г
J1248-19
•а о.1
й
<ц
-3 10
0.1
10
8
i.C •
0.1
100
10
>
J_LI_I_I_I_L
10
I I I I I 1111
J1411+52
V
0.1
0.1
10
J1154-35
10
A Aliak erov 1985
К
o.i
0.01 0.1 1
10 100
TTT| I I Mill
J1331+30
10
'4
• Perley 2013,2017
0.1
10
J1347+12 10
J1400+62
О U
Ф
о
"Ь
0.1 100
10
0.1
• *
10
Г| I I I I I I 11|
J1459+71
mm_d J _i_i i Mini_i_i i i i i n 1_i_i i i i 1111_i_i i i i i n 1_
100 0.01 0.1 1 10 100
Frequency, GHz Рис. 1. Продолжение.
10
1
0.1
0.1 1 10
10
>>
Ö О тЗ
1 10 100
1
0.1
5. О ПРОВЕРКЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для проверки достоверности (оценки точности) измеренных плотностей потоков калибраторов мы рассмотрели выше совокупность наших результатов и измерений, собранных в базе данных CATS, и привели в таблице 5 расчетные значения, полученные из аппроксимации спектров в диапазоне 5—40 ГГц. В будущем для аналогичных целей можно воспользоваться также новой методикой. Она предложена и апробирована по данным четырехлетнего мониторинга калибровок в трех диапазонах космического телескопа (КРТ) проекта «Ра-диоАстрон», проведенного по первичным астрономическим калибраторам по потоку и внутренним
генераторам шумового сигнала (ГШ) КРТ в работе Kovalev et al. (2020).
Методика была отлажена при анализе калибровок КРТ по Кассиопее-А и Крабовидной туманности и привела к необходимости коррекций некоторых измерений, выполнявшихся в общепринятой шкале Baars et al. (1977) в процессе полета КРТ. По-видимому, реальная известная «вековая» переменность радиоизлучения этих калибровочных источников в течение 40 лет шла со скоростью, отличающейся от общепринятой, экстраполированной. Две новые шкалы плотностей потока, предложенные Perley and Butler (2017) и Vinyaikin (2007; 2014), корректирующие прежнюю, оказались точнее (Kovalev et al. 2022).
Та же методика будет «работать» при условии постоянства эффективной площади антенны, как у КРТ. Для полноповоротной антенны это условие проще всего может быть выполнено при наблюдениях калибровочных объектов на одной высоте. В данном случае методика сводится к сравнению калибровок ГШ на РТ-22 по всем калибровочным источникам РАТАН-600, при учете результатов их измерений на РТ-22 на одной высоте. Если эти калибровки ГШ одинаковы в пределах погрешности, значит, калибраторы согласованы друг с другом по спектральной плотности потока излучения. Таким образом, калибровочные ГШ РТ-22 могут использоваться не только для обычной калибровки телескопа, но и как индикаторы относительной точности плотностей потоков самих калибровочных источников при некоторых условиях.
Покажем это. Пусть для каждого i-го калибратора РАТАН-600 на РТ-22 измерена его спектральная плотность потока Fs>i (при i = 0, ...,n, где n — максимальный номер калибратора РАТАН-600, а i = 0 — номер самого точного из них или из калибраторов РТ-22). Тогда известным способом можно получить i-e значение FnS;i эквивалентной спектральной плотности потока Fns излучения ГШ (Kovalev et al. 1999):
Fns,i — Fs,i(Uns/Us,i) - Fs,i Cs,i, (5)
Fns — 2kTns/Aeff — GaTns. (6)
Здесь Fns — эквивалентная спектральная плотность потока излучения генератора шума (ГШ или ns), Fs — спектральная плотность потока излучения калибровочного источника, Tns — антенная температура генератора шума, Aeff и Ga — эффективная площадь и «усиление» антенны, Uns — амплитуда отклика на ГШ в вольтах, Us — амплитуда отклика на источник в вольтах (скорректированная на его угловые размеры, поляризацию и поглощение атмосферы при необходимости).
1 1 1 II II11 1 i i i i i 111 i i lili
: JP (0s : ge® ® J2052+36 - ^ * = Ь- -
- в® % -
- о CATS ........1 i .......1 1 1 1 1 1 1
_ 1 1 1 11 1 1 : J2107+42 i i i i 111 i * * 9 i i i 11111 _
-
W
•• ■ • Baars 1977
■ Ott 1994
• Perley 2013 ~
i i 111 i i • ......i i RT-22 - .......1
0.1 1 10 Frequency, GHz
Рис. 1. Продолжение.
Таблица 5. Параметры переменности радиоизлучения и спектров калибраторов. Обозначения колонок: (1) и (2) — имя и унифицированное название в списке калибраторов; (3), (5) — значения индексов переменности радиоизлучения V22 и V37 вблизи частот 22 и 37 ГГц с их погрешностью в скобках; (4) — временной масштаб переменности радиоизлучения на частоте 22 ГГц; (6) — спектральный индекс на частотах 22—37 ГГц и ошибка его определения в скобках, обозначение «no data» соответствует отсутствию измерений для оценки переменности; (7) — коэффициенты прямых а и b из аппроксимации спектра полиномом lg(Sv) = а + b lg(v), где Sv и v даны в Ян и ГГц соответственно; (8) — тип калибровочного источника: «s» — вторичный, «г» — «ратановский»
Источник v22 n, % t, лет v37 И, % «22-37 (o") Коэффиценты a, b Тип калибратора
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
PKS 0023-26 J0025-26 6.85(0.13) 23 - -1.14(0.01) 4.93,-1.14 r
ЗС 48 JO 137+33 - >40 - -0.98(0.01) 4.37,-0.98 s
PKS 0237-23 J0240-23 0.30(0.15) 23 - -1.16(0.05) 4.89,-1.16 r
4С+ 16.09 J0318+16 11.20(0.16) 21 - -1.24(0.02) 5.09,-1.24 r
4С+76.03 J0410+76 1.65(0.09) 19 4.71 (0.10) -0.62(0.04) 2.78,-0.62 r
ЗС 138 J0521+16 - 23 11.06(0.06) -0.84 (0.05) 3.74,-0.84 r
ЗС 147 J0542+49 5.68(0.07) >40 1.03(0.04) -0.85(0.02) 4.03,-0.85 s
ЗС 161 J0627-05 no data - no data -0.96(0.07) 4.36,-0.96 s
ЗС 249.1 J1104+76 no data - no data -1.16(0.07) 4.16,-1.16 s
PKS 1154-34 J1154-35 - 35 - -1.51 (0.04) 6.51,-1.51 r
PKS 1245-19 J1248—19 4.64(0.12) 23 - -1.70(0.03) 3.89,-0.94 r
ЗС 286 J1331+30 1.52(0.06) >40 - -0.71 (0.01) 3.49,-0.71 s
4С+ 12.50 J1347+12 6.48(0.10) 23 - -0.63(0.03) 2.75,-0.63 r
4С +62.22 J1400+62 - 8 - -0.79(0.02) 3.17,-0.79 r
ЗС 295 J1411+52 9.87(0.02) >40 - -1.28(0.01) 5.57,-1.28 s
ЗС 309.1 J1459+71 21.46(0.03) >30 - -0.63(0.02) 2.88,-0.63 s
В2 2050+36 J2052+36 8.87(0.14) 14 - -1.13(0.04) 4.77,-1.13 r
NGC 7027 J2107+42 0.83(0.02) >40 - -0.14(0.02) 1.34,-0.14 s
PKS 2127+04 J2130+05 6.63(0.17) 23 - -0.98(0.05) 4.01,-0.98 r
Теперь из (5)—(6) запишем отношение измеренных ТП8 по г-му калибратору к ТП8 по «основному» калибратору:
0 = /Fs,0)(Cs,i/Cs,0) (7)
Благодаря тому, что наблюдение ведется на одной высоте, величина Лея удачно сокращается. В результате, можно без труда найти, что измеренное отношение (7), откалиброванное по каждому калибратору относительно «основного калибратора», должно быть равно единице. Отклонение каждого из этих отношений от единицы в пределах погрешности измерений будет характеризовать согласованность калибраторов по потоку с основным калибратором. Иначе — их рассогласованность, так как, согласно (5—7), калибровка стабильного ГШ по любому точному калибратору спектральной плотности потока должна оставаться постоянной
при постоянной эффективной площади антенны и неизменном атмосферном поглощении.
6. РЕЗУЛЬТАТЫ
На радиотелескопе РТ-22 КрАО РАН проведены измерения 19 калибровочных источников на частотах 22.2 и 36.8 ГГц в период 2017-2020 гг. Их целью являлось уточнение высокочастотных спектров радиоисточников, используемых для калибровки измерений по спектральной плотности потока на РАТАН-600 или других инструментах. По результатам анализа радиоспектров калибраторов предложены значения их спектральных плотностей потоков на частотах 22, 30 и 37 ГГц. Для 13 калибраторов оценен индекс переменности на частоте 22 ГГц на временной шкале 14-40 лет. Показано, что для четырех из них (PKS 0237-23, 4C 76.03, 3C 286, NGC 7027) он не превышает 2%,
для семи калибраторов переменность радиоизлучения варьируется от 2 до 10% и для двух (4C + + 16.09, 3C 309.1) она равна 11 и 21% соответственно. Для восьми объектов с переменностью, превышающей 5%, необходим контроль потока радиоизлучения на высоких частотах. Представляется важным продолжить эти исследования и в дальнейшем оценить точность и взаимную согласованность результатов с помощью описанной методики.
БЛАГОДАРНОСТИ
Мы признательны сотрудникам отдела радиоастрономии КрАО РАН за участие в измерениях и М. Г. Ларионову за помощь в работе. Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания и рекомендации.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, соглашение № 075-15-2020-778.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. K. D. Aliakberov, M. G. Mingaliev, M. N. Naugolnaya,
et al., Astrofiz. Issled.: Izvestiya Spets. Astrofiz. Obs. 19,60(1985).
2. M. F. Aller, H. D. Aller, and P. A. Hughes, Astrophys. J.
399, 16(1992).
3. J. W. M. Baars, R. Genzel, I. I. K. Pauliny-Toth, and
A. Witzel, Astron. and Astrophys. 61, 99 (1977).
4. J. J. Condon, W. D. Cotton, E. W. Greisen, et al.,
Astron. J. 115 (5), 1693(1998).
5. P. C. Gregory, W. K. Scott, K. Douglas, and J. J.
Condon, Astrophys. J. Suppl. 103,427(1996).
6. S. E. Healey, R. W. Romani, G. B. Taylor, et al.,
Astrophys. J. Suppl. 171 (1), 61 (2007).
7. N. Hurley-Walker, J. R. Callingham, P. J. Hancock,
et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 464 (1), 1146(2017).
8. H. T. Intema, P. Jagannathan, K. P. Mooley, and
D. A. Frail, Astron. and Astrophys. 598, id. A78 (2017).
9. V. P. Ivanov, A. V. Ipatov, I. A. Rakhimov, et al.,
Astronomy Reports 62 (9), 574 (2018).
10. S. O. Kiikov, M. G. Mingaliev, V. A. Stolyarov, and M. S. Stupalov, Bull. Spec. Astrophys. Obs. 54, 5 (2002).
11. M. J. Klein and C. T. Stelzried, Astron. J. 81, 1078 (1976).
12. Y. A. Kovalev, A. N. Ermakov, V. I. Vasilkov, et al., Astrophysical Bulletin 77 (3), 360 (2022).
13. Y. A. Kovalev, I. Vasil'kov, V, A. N. Ermakov, et al., Transactions IAA RAS 54, 32 (2020) [in Russian].
14. Y. Y. Kovalev, N. A. Nizhelsky, Y. A. Kovalev, et al., Astron. and Astrophys. Suppl. 139, 545(1999).
15. M. Lacy, S. A. Baum, C. J. Chandler, et al., Publ. Astron. Soc. Pacific 132 (1009), id. 035001 (2020).
16. M. G. Mingaliev, A. M. Botashev, and V. A. Stolyarov, Bull. Spec. Astrophys. Obs. 46, 28(1998).
17. M. G. Mingaliev, V. A. Stolyarov, R. D. Davies, et al., Astron. and Astrophys. 370, 78 (2001).
18. T. Murphy, E. M. Sadler, R. D. Ekers, et al., Monthly Notices Royal Astron. Soc. 402 (4), 2403 (2010).
19. N. S. Nesterov, A. E. Volvach, and I. D. Strepka, Astronomy Letters 26, 204 (2000).
20. M. Ott, A. Witzel, A. Quirrenbach, et al., Astron. and Astrophys. 284,331 (1994).
21. Y. N. Parijskij, IEEE Antennas and Propagation Magazine 35,7(1993).
22. R. A. Perley and B. J. Butler, Astrophys. J. Suppl. 204 (2), article id. 119(2013).
23. R. A. Perley and B. J. Butler, Astrophys. J. Suppl. 230 (1), article id. 7(2017).
24. Y. V. Sotnikova, in Proc. All-Russian Conf. on Ground-Based Astronomy in Russia. 21st Century, Nizhny Arkhyz, Russia, 2020, Ed. by 1.1. Romanyuk, I. A. Yakunin, A. F. Valeev, and D. O. Kudryavtsev, pp. 32-40 (IP Reshenilenko P.A., Pyatigorsk, 2020).
25. Y. V. Sotnikova, Y. A. Kovalev, and A. K. Erkenov, Astrophysical Bulletin 74 (4), 497 (2019).
26. C. Stanghellini, C. P. O'Dea, D. Dallacasa, et al., Astron. and Astrophys. Suppl. 131, 303(1998).
27. I. A. Strukov and D. P. Skulachev, Itogi Nauki i Tekhniki Seriia Astronomiia 31, 37 (1986) [in Russian].
28. R. Y. Udovitskiy, Y. V. Sotnikova, M. G. Mingaliev, et al., Astrophysical Bulletin 71 (4), 496 (2016).
29. O. V. Verkhodanov, S. A. Trushkin, H. Andernach, and V. N. Chernenkov, Bull. Spec. Astrophys. Obs. 58, 118 (2005).
30. O. V. Verkhodanov, S. A. Trushkin, H. Andernach, and V. N. Chernenkov, Data Science Journal 8, 34 (2009).
31. O. V. Verkhodanov, S. A. Trushkin, and V. N. Chernenkov, Baltic Astronomy 6, 275 (1997).
32. E. N. Vinyaikin, Astronomy Reports 51 (7), 570 (2007).
33. E. N. Vinyaikin, Astronomy Reports 58 (9), 626 (2014).
34. A. Volvach, N. Nesterov, and L. Petrov, Kinematika i Fizika Nebesnykh Tel Supplement 3, 43 (2000).
35. A. E. Vol'vach, N. S. Kardashev, M. G. Larionov, et al., Kinematics and Physics of Celestial Bodies 23 (3), 122 (2007).
36. A. E. Volvach, M. G. Larionov, L. N. Vol'vach, and G. M. Larionov, Astronomy Reports 61 (11), 954 (2017).
37. A. E. Volvach and N. S. Nesterov, Bull. Crimean Astrophys. Obs. 106 (1), 99 (2010).
38. A. E. Volvach, L. N. Vol'Vach, N. S. Kardashev, 39. A. E. Volvach, L. N. Volvach, M. G. Larionov, et al., and M. G. Larionov, Astronomy Reports 52 (6), 429
(2008). Cosmic Research 57 (2), 85 (2019).
Study of Calibration Sources at 22 and 37 GHz Frequency Bands with RT-22 CrAO RAS
Yu. V. Sotnikova1, Yu. A. Kovalev2, A. N. Ermakov2, L. V. Volvach3, and A. E. Volvach3
1Special Astrophysical Observatory, Russian Academy of Sciences, Nizhnii Arkhyz, 369167 Russia 2Astro Space Center, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117997 Russia 3Crimean Astrophysical Observatory, Russian Academy of Sciences, Nauchny, 298409 Russia
We present the measurement results for the spectral flux densities of 19 calibration sources observed with the RT-22 single-dish telescope of the Crimean Astrophysical Observatory of the Russian Academy of Sciences at 22.2 and 36.8 GHz in 2017—2020. About half of them belong to the commonly accepted secondary standards with periodically monitored flux densities at radio frequencies. The observations were carried out to refine the calibration measurements of the RATAN-600 radio telescope at high frequencies. The specificity of RATAN-600 meridian observations requires a "grid" of calibration objects distributed over declinations from -35° to +90° instead of 1—3 conventional ones which are sufficient for observations at different heights with a single-dish antenna. The radio variability of the objects was estimated taking into account the literature measurements, the results were interpolated to a frequency of 30 GHz. It was found that radio variability at 22 GHz at time scales of about 20—30 years exceeds 10% for the calibrators 4C +16.09 and 3C 309.1. We discuss a possibility of verifying the calibration sources at the RT-22 by a new method that uses a noise signal generator as an indicator of their relative flux density accuracy.
Keywords: methods: observational—telescopes—radio continuum
