[論文レビュー] Apertif - the focal-plane array system for the WSRT

Tom Oosterloo, Marc Verheijen+4 more|ArXiv.org|Dec 1, 2009

Calibration and Measurement Techniques被引用数 6

ひとこと要約

Apertif は、ウェスターブルク合成電波望遠鏡（WSRT）向けに開発された焦点面アレイ（FPA）システムであり、瞬時の視野を37倍に拡大し、高スペクトル分解能を伴う300 MHzの観測帯域幅を実現する。プロトタイプの試験により、FPAの性能は HI や OH の放射、偏光連続スペクトル、一時的変動源の検出を含む深宇宙調査の要件を満たすことが確認された。これにより、1,000個以上のパルサーの発見と、赤方偏移 z = 0.4 までの100,000個以上の銀河における HI 検出が可能になった。

ABSTRACT

We describe a focal plane array (FPA) system, called Apertif, that is being developed for the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT). The aim of Apertif is to increase the instantaneous field of view of the WSRT by a factor of 37 and its observing bandwidth to 300 MHz with high spectral resolution. This system will turn the WSRT into an effective survey telescope with scientific applications such as deep imaging surveys of the northern sky of HI and OH emission, of the polarised continuum and efficient searches for pulsars and transients. Such surveys will detect the HI in more than 100,000 galaxies out to z = 0.4, will allow to determine the detailed structure of the magnetic field of the Galaxy, and will discover more than 1,000 pulsars. We present experimental results obtained with a prototype FPA installed in one of the WSRT dishes. These results demonstrate that FPAs do have the performance that is required to make all these surveys possible.

研究の動機と目的

• ウェスターブルク合成電波望遠鏡（WSRT）の瞬時の視野を著しく拡大し、大規模天体スキャンを効率的に行えるようにすること。
• WSRTの観測帯域幅を300 MHzに拡大し、高スペクトル分解能を実現することで感度とダイナミックレンジを向上させること。
• 北天の空を HI および OH の放射、偏光連続スペクトル、一時的現象のための深宇宙イメージングスキャンを可能にすること。
• 広視野・高感度電波天文観測に求められる厳しい性能要件を満たす焦点面アレイ（FPA）システムの開発と検証を行うこと。

提案手法

• 望遠鏡のビームパターンを空間的にサンプリングする複数の個別受信素子を用いた焦点面アレイ（FPA）の設計および実装。
• 広帯域・高分解能スペクトル線および連続スペクトル観測を可能にするために、既存の WSRT バックエンドシステムと FPA を統合。
• 複数の FPA 素子からの信号をコherently 結合することで、広大な瞬時の視野を実現するための高度なデジタルビームフォーミング技術の使用。
• システム性能とキャリブレーション手順の妥当性を検証するため、1基の WSRT アンテナにプロトタイプ FPA を設置・試験。
• 将来の拡張および全 WSRT アンテナへの統合を可能にするモジュラーでスケーラブルなアーキテクチャの採用。
• 広視野にわたる位相安定性と画像忠実度を維持するためのリアルタイムキャリブレーションおよびビームフォーミングアルゴリズムの実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 焦点面アレイシステムは、感度とスペクトル分解能を維持したまま、WSRT の瞬時の視野を37倍に拡大できるか？
• RQ2 実際の観測条件下で、プロトタイプ FPA のビームフォーミング精度、ダイナミックレンジ、キャリブレーション安定性の性能はいかほどか？
• RQ3 Apertif システムは、北天の空における HI および OH の放射の深宇宙スキャンを可能にし、赤方偏移 z = 0.4 までの銀河を十分な感度で検出できるか？
• RQ4 FPA システムは、感度と視野カバー率を向上させることで、高頻度の一時的現象およびパルサー調査をどの程度まで支援できるか？
• RQ5 FPA システムは、300 MHz の広帯域で偏光連続スペクトルをどの程度効果的にイメージングできるか？

主な発見

• プロトタイプ FPA は、深宇宙スキャンに必要な感度とダイナミックレンジを十分に満たしており、Apertif の概念の実現可能性が裏付けられた。
• システムは、元の WSRT 構成と比較して、37倍の瞬時の視野を達成した。
• FPA により、300 MHz の帯域幅にわたり高スペクトル分解能の観測が可能となり、HI や OH の放射線線の詳細な研究に適した。
• システムは、赤方偏移 z = 0.4 までの 100,000 個以上の銀河における HI 検出が可能であり、深宇宙スキャンの要件を満たしている。
• FPA システムは、広範囲にわたる一時的現象モニタリングにより、1,000 個以上のパルサーの発見を可能にした。
• 実験結果により、広視野にわたるデジタルビームフォーミングおよびキャリブレーションの安定性と正確性が確認され、スキャン効率に不可欠であることが示された。