[論文レビュー] CCAT-prime Collaboration: Science Goals and Forecasts with Prime-Cam on the Fred Young Submillimeter Telescope

Prime Collaboration, Manuel Aravena+85 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、フレッド・ヤングサブミリ波望遠鏡（FYST）上のPrime-Camの科学目標、機器設計、および予測性能を概説しており、複数の宇宙論・天体物理プログラムにわたる調査戦略と期待感度を含む。

ABSTRACT

We present a detailed overview of the science goals and predictions for the Prime-Cam direct detection camera/spectrometer being constructed by the CCAT-prime collaboration for dedicated use on the Fred Young Submillimeter Telescope (FYST). The FYST is a wide-field, 6-m aperture submillimeter telescope being built (first light in mid-2024) by an international consortium of institutions led by Cornell University and sited at more than 5600 meters on Cerro Chajnantor in northern Chile. Prime-Cam is one of two instruments planned for FYST and will provide unprecedented spectroscopic and broadband measurement capabilities to address important astrophysical questions ranging from Big Bang cosmology through reionization and the formation of the first galaxies to star formation within our own Milky Way galaxy. Prime-Cam on the FYST will have a mapping speed that is over ten times greater than existing and near-term facilities for high-redshift science and broadband polarimetric imaging at frequencies above 300 GHz. We describe details of the science program enabled by this system and our preliminary survey strategies.

研究の動機と目的

• 広視野で高感度のサブミリ波サーベイ計画を推進し、初期宇宙、銀河進化、銀河系科学に取り組む。
• 二つの EoR-Spec分光器と五つのブロードバンド偏光チャンネルを含む七つのモジュールからなる Prime-Cam の機器設計を説明する。
• 再電離から銀河構造までの測定を可能にする感度、調査戦略、および観測計画を予測する。

提案手法

• Prime-Camの機器アーキテクチャと光学設計を説明し、8°のFYST場の内側4.9°の領域をカバーする。
• Cryogenic imaging Fabry-Perot干渉計を用いたEoR-Specの説明。 [C II]線強度マッピングを z ~ 3.5–8.05 に跨って行う。
• 多周波数帯域（220–850 GHz）での広帯域偏光と分光のため、約150 mmシリコンウェハーを用いたKinetic Inductance Detector(KID)焦点平面を採用。
• 天空、望遠鏡、機器背景と検出器および大気ノイズを組み合わせたノイズモデルを開発し、マッピング速度と感度を予測する。
• 広域サーベイと深部分光サーベイという調査計画と観測戦略を立て、他施設（SO、CMB-S4 など）との科学間相乗効果と適用性を最適化する。
• 計画帯域全体でCMB研究に関連する単位（NET）とダスト/線強度研究に関連する単位（NEI）で性能予測を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100–900 GHz にわたる広域サブミリ波サーベイにおける Prime-Cam の予想感度とマッピング速度はどれくらいか。
• RQ2 [C II]および[O III] 線強度マッピングを通じて EoR-Spec が星形成と再電離史を z ~ 3.5–8.05 の範囲でどのように制約できるか。
• RQ3 高周波サブミリ波データを用いて Primordial B-modes から CMB フォアグラウンド（特にダスト）をどれだけ効果的に分離できるか。
• RQ4 偏光ダスト放射を介して銀河系磁場をマッピングし、銀河団における SZ効果を研究する Prime-Cam の能力はどうか。
• RQ5 計画されたサーベイでレイリー散乱信号および時系列サブミリトランジェントの予想能力はどの程度か。

主な発見

• FYST上のPrime-Camは、100–900 GHz範囲で前例のない分光測定とブロードバンド測定を可能にする。
• この計画は、高赤shift科学と300 GHzを超えるブロードバンド偏光撮像において、既存/近期施設より10倍以上のマッピング速度を予測する。
• この機器は7モジュールから成り、二つの EoR-Spec Fabry-Perot分光器と五つのブロードバンド偏光カメラで、220–850 GHzの特定周波数帯に最適化されている。
• FYSTの6 m開口部と高 altitudeは、CMB B-mode研究とサブ-Mpcスケールの線強度マッピングに適した回折限界イメージングを実現する。
• 詳細な観測計画には、約8,000時間の二つの大規模サーベイ（Wide Field SurveyとDeep Spectroscopic Survey）と追加の標的プログラムを含み、おおよそ5年の期間で約12,500時間が利用可能。
• 感度とノイズモデルは天空、望遠鏡、機器、検出器、および大気の寄与を組み合わせ、バンド間で予測 NEI/NET 値とサーベイ速度を提供する。