[論文レビュー] Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope \mbox{(AtLAST)} Science: Probing the Transient and Time-variable Sky

John Orlowski-Scherer, Thomas J. Maccarone+26 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は AtLAST 観測所がサブミリ波領域の過渡現象と時間変動科学を革新する可能性を示し、科学ケース、観測能力、快速進化現象の発見と追跡を最大化する調査戦略を詳述する。

ABSTRACT

The study of transient and variable events, including novae, active galactic nuclei, and black hole binaries, has historically been a fruitful path for elucidating the evolutionary mechanisms of our universe. The study of such events in the millimeter and submillimeter is, however, still in its infancy. Submillimeter observations probe a variety of materials, such as optically thick dust, which are hard to study in other wavelengths. Submillimeter observations are sensitive to a number of emission mechanisms, from the aforementioned cold dust, to hot free-free emission, and synchrotron emission from energetic particles. Study of these phenomena has been hampered by a lack of prompt, high sensitivity submillimeter follow-up, as well as by a lack of high-sky-coverage submillimeter surveys. In this paper, we describe how the proposed Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) could fill in these gaps in our understanding of the transient universe. We discuss a number of science cases that would benefit from AtLAST observations, and detail how AtLAST is uniquely suited to contributing to them. In particular, AtLAST's large field of view will enable serendipitous detections of transient events, while its anticipated ability to get on source quickly and observe simultaneously in multiple bands make it also ideally suited for transient follow-up. We make theoretical predictions for the instrumental and observatory properties required to significantly contribute to these science cases, and compare them to the projected AtLAST capabilities. Finally, we consider the unique ways in which transient science cases constrain the observational strategies of AtLAST, and make prescriptions for how AtLAST should observe in order to maximize its transient science output without impinging on other science cases.

研究の動機と目的

• 過渡現象と時間変動現象を研究するための広域かつ高感度の単一鏡筒サブミリ波施設を動機づける。
• 他の目標を損なうことなく過渡科学の成果を最大化するために必要な観測能力と制約を定義する。
• AtLAST が既存施設を補完し、多波長にわたる偶然の発見と迅速な追跡を可能にする方法を説明する。
• AtLAST の FoV、感度、マルチクロイック能力によって恩恵を受ける太陽系、銀河、外部銀河の科学ケースを強調する。

提案手法

• 50 m の単一鏡筒望遠鏡と大きな瞬時視野 (>1 deg^2) を主張する。
• 90–850 GHz 領域で同時多帯域（マルチクロイック）観測を提案する。
• 広域マッピング、標的追跡、偶発的発見パイプラインを含む調査戦略を評価する。
• サブミリ波での過渡現象の検出と特徴付けを可能にする感度のベンチマークと観測間隔の要件を提示する。
• AtLAST のニッチと相乗効果を動機づけるため、既存および計画中の施設を参照する（例：ACT、SPT、JCMT/SCUBA-2、ALMA、SO、CCAT）。
• 機器設計を導くための名目大気帯と予想感度の表を提供する（論文の Table 1）。

Figure 1: AtLAST projected 1 hour cumulative observations of (4866) Badillo alongside WISE (open circle) data points. The red, green, and blue data points represent projected AtLAST observations reduced by 5, 25, and $35\%$ with respect to best fit IR line (solid blue line), which in turn correspond

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブミリ波での過渡・時間変動イベントの発見と特徴付けを最大化するには AtLAST にどんな能力が必要か？
• RQ2 AtLAST の広い視野、多帯域対応、迅速な応答は、他の波長で検出された過渡現象やマルチメッセージアラートによる偶発検出と効果的な追跡をどう可能にするか？
• RQ3 AtLAST で太陽系・銀河系・外部銀河の時間領域現象を研究するための最適な観測戦略（調査、標的追跡、観測間隔）は何か？
• RQ4 過渡サブミリ科学における現在の施設の限界は何で、AtLAST はこれらのギャップをどう埋めるか？
• RQ5 AtLAST の観測は小惑星の風化層、TNO、原始星の降着変動性、その他の時間変動するサブミリ現象のモデルをどのように制約できるか？

主な発見

参照周波数	帯域端	感度 (μJy beam^-1 h^-1/2)	Band 1 (GHz)	Band 2 (GHz)	Sensitivity (μJy beam^-1 h^-1/2)
42.0	30-54	6.60	91.5	66-117	6.46
91.5	66-117	6.46	151.0	120-182	7.14
151.0	120-182	7.14	217.5	183-252	9.22
217.5	183-252	9.22	288.5	252-325	11.91
288.5	252-325	11.91	350.0	325-375	23.59
350.0	325-375	23.59	403.0	384-422	39.98
403.0	384-422	39.98	654.0	595-713	98.86
654.0	595-713	98.86	845.5	768-905	162.51

• AtLAST の大きな瞬時視野 (>1 deg^2) と 50 m の開口は、高感度の迅速な広域調査を可能にし、現在のミリ波施設を超える過渡発見の可能性を拡大する。
• マルチバンド同時観測は頻繁な再設定の必要性を減らし、急速な変動イベント時のスペクトルエネルギー分布の探索を可能にする。
• 高速ターンレート、高感度、偏光機能により、偶発的検出と多メッセージ源を含む過渡の迅速な追跡が実現可能になる。
• 論文は設計選択と過渡科学の成果を最適化する観測戦略を導く推定感度と帯域定義（Table 1）を提供する。
• サブミリ波での小惑星とTNO 研究は AtLAST で実用的になり、現在の施設では実現できない大規模カタログと組成情報を可能にする。
• 研究は、リアルタイム alert パイプラインと均質なデータ製品の必要性を強調し、過渡サブミリ観測の科学的リターンを最大化する。

Figure 2: A multiwavelength campaign on the black hole X-ray binary MAXI J1820+070 in outburst, from Tetarenko et al. 2021 . The emission from infrared through radio is thought to be synchrotron from a relativistic jet. The increased smoothness of the light curves as a function of increasing wavelen