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在射电波段开展对银河系的总强度和偏振观测是研究银河系星际介质物理性质的重要手段和有力工具。它不但可以揭示银河系的射电辐射结构以及电子分布情况,偏振观测还可以作为星际磁场的探针,用以研究存在于大到kpc量级尺度(银河系旋臂结构),小到pc量级尺度(如超新星遗迹、法拉第屏和脉冲星风云)的磁场信息。以往的射电偏振观测主要集中在射电低频波段,它们受制于法拉第效应的影响,通常只能探测到来自较近距离的偏振辐射,并且往往由于角分辨或与前景、背景偏振辐射混杂的原因,目标结构很难被分辨。在射电高频波段开展银道面偏振巡天,首先会大大减弱法拉第效应对偏振测量的影响,使我们可以探测到来自更远距离的偏振辐射,揭示更本征的磁场结构。射电高频偏振数据还将是我们搜索和发现具有更高法拉第旋率(RM),尤其是具有更高视线方向磁场强度(BⅡ)的法拉第屏的宝库。这类结构的发现对研究银河系局部磁场的性质有着非常重要的意义。它们的存在对脉冲星和河外源的RM测量有着不可忽视的影响。同时,由于热辐射(热轫致辐射)和非热辐射(同步辐射)在射电波段谱的特点,射电高频观测将探测到更高比例的热成分,为新HII区的发现提供数据基础。此外,高灵敏度的射电高频总强度和偏振数据还对确定超新星遗迹的高频流量密度谱、谱偏折信息及演化特征起到十分重要的作用。
我们利用中国科学院新疆天文台南山站25米射电望远镜开展的中德6厘米银道面偏振巡天项目己于2009年7月成功地完成了对所有计划天区的观测。我的博士论文就是基于这个项目,主要工作包括对6厘米银道面偏振巡天发表的第二块天区,即反银心方向银经129°≤e≤230°,银纬|b|≤5°区域的数据处理和发表,以及对该天区范围内新发现的显著法拉第屏结构的研究;对整个6厘米银道面偏振巡天,银经10°≤e≤230°,银纬|b|≤5°范围内视直径≥1°的已知超新星遗迹射电波段性质的研究以及对巡天中两个新超新星遗迹G178.2-4.2和G25.1-2.3的发现。本论文的具体内容安排如下:
·第一章,简单回顾射电天文的发展历史,对射电波段的主要辐射机制以及射电源的一些基本特性进行阐述,总结以往射电总强度巡天和偏振巡天的工作,通过对比阐述6厘米银道面偏振巡天的优势和意义。
·第二章,描述6厘米银道面偏振巡天所用的接收系统、系统性能、巡天观测和数据处理方法。由于6厘米观测数据在处理过程中,做基线拟合时,在去除仪器和地面效应的同时损失了来自银河系大尺度结构的辐射成分,因此6厘米观测的总强度和偏振数据都是处于相对水平(relative level),而不包含来自银河系所有尺度上的辐射信息(absolute level)。对于6厘米银道面巡天的偏振数据,我们利用WMAP K波段(22.8 GHz)的偏振数据,进行了对6厘米偏振数据中所丢失的大尺度结构信息的尝试性补偿。我将简单阐述补偿方法。
·第三章,重点阐述6厘米银道面偏振巡天中反银心方向银经129°≤e≤230°,银纬|b|≤5°区域内数据的处理和分析。利用WMAP K波段5年的偏振数据对6厘米银道面巡天的偏振数据进行了尝试性的“绝对较准”。利用“绝对校准”后的偏振数据以及Sun et al.[217]构建的法拉第屏模型,着重的对反银心方向1010平方度天区中新发现的显著法拉第屏结构进行研究,估算了法拉第屏的一些重要物理参数,如热电子密度ne、视线方向磁场强度BⅡ、距离d等信息。对一些无法用简单模型来解释的法拉第屏,我还参与了利用德国Effelsberg100米射电望远镜针对这些结构的其它波段的偏振观测项目。
·第四章,我们从整个6厘米银道面偏振巡天所覆盖的2200平方度天区内筛选出了17个视直径≥1°的、在Green超新星遗迹表[95]中收录的己知超新星遗迹。结合其它波段数据,尤其是Effelsberg11厘米和21厘米的射电数据,我们对这些超新星遗迹的总强度、积分流量密度谱、偏振等射电性质进行了研究。其中,在对G192.8-1.1的分析中,我们发现G192.8-1.1是一个由若干HII区、河外射电源和一个热辐射延展平台组成的复合结构。它所表现出的射电性质完全不符合前人得到的关于G192.8-1.1是一个超新星遗迹的结论。通过新的、高质量的射电观测数据,我们判定G192.8-1.1不是一个超新星遗迹。对另外的16个大超新星遗迹,我们展示了它们在6厘米波段的总强度和偏振测量结果,并计算了它们的积分流量密度(谱)。新的乌鲁木齐6厘米巡天是对其中一些超新星遗迹迄今为止的首次6厘米波段的总强度和偏振观测,同时,也是对其中一些超新星遗迹最高频率的射电观测。我们的新结果对超新星遗迹(如G114.3+0.3等)流量密度谱的确定起到了非常重要的作用。
·第五章,通过壳层型超新星遗迹在射电观测上所表现出的壳层结构、沿壳层分布的与壳层相切的磁场和谱指数约为α~-0.5的射电流量密度谱的特征,我们对整个6厘米银道面偏振巡天区域进行了仔细的搜寻。我们发现了G178.2-4.2和G25.1-2.3两个新的壳层型结构,其中G178.2-4.2具有沿着壳层切线方向分布的磁场。通过结合Effelsberg11厘米和21厘米数据,我们确定了它们的射电谱指数约为α~-0.5。因而,从形态、偏振和谱指数的特征上,我们证认它们为新的超新星遗迹。另外,通过在HI观测数据中找到的可能与超新星遗迹G25.1-2.3成协的空洞结构,我们估算出超新星遗迹G25.1-2.3的距离大约为2.9kpc。
·第六章,对全文工作进行总结,并展望以后的研究工作。