[論文レビュー] High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA

Vincent L. Fish, W. Alef+67 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、ALMAの50個の電波望遠鏡を1つの84メートル相当の開口部に統合するALMAビームフォーマーを提案し、ミリ波/サブミリ波バンドの超長基線電波干渉計測定（VLBI）において、前例のない感度と空間分解能を実現する画期的な施設機器として位置づけている。この能力により、近傍の活動銀河核におけるスワーツシルト半径スケールでのブラックホール降着円盤およびジェットの直接像の撮影、強引力下での一般相対性理論の検証、パulsar、メーザー、宇宙時間にわたる化学的進化、および基本定数の研究が可能になる。

ABSTRACT

An international consortium is presently constructing a beamformer for the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile that will be available as a facility instrument. The beamformer will aggregate the entire collecting area of the array into a single, very large aperture. The extraordinary sensitivity of phased ALMA, combined with the extremely fine angular resolution available on baselines to the Northern Hemisphere, will enable transformational new very long baseline interferometry (VLBI) observations in Bands 6 and 7 (1.3 and 0.8 mm) and provide substantial improvements to existing VLBI arrays in Bands 1 and 3 (7 and 3 mm). The ALMA beamformer will have impact on a variety of scientific topics, including accretion and outflow processes around black holes in active galactic nuclei (AGN), tests of general relativity near black holes, jet launch and collimation from AGN and microquasars, pulsar and magnetar emission processes, the chemical history of the universe and the evolution of fundamental constants across cosmic time, maser science, and astrometry.

研究の動機と目的

• 位相整合されたALMAを用いて、ミリ波帯およびサブミリ波帯の画期的な超長基線電波干渉計測定（VLBI）観測を可能にすること。
• ブラックホール降着、ジェット形成、基本定数の時間的変動といった、天体物理学および基礎物理学分野の根本的問題に取り組むこと。
• 特にバンド6およびバンド7（1.3 mmおよび0.8 mm）において、既存のVLBIアレイをはるかに上回る感度と空間分解能を向上させること。
• 宇宙論的および銀河系構造の研究のための高精度なastrometryおよびスペクトル線VLBIを支援すること。
• VLBIキャンペーンにともなって得られる深宇宙干渉データセットを活用した共存科学の機会を提供すること。

提案手法

• ALMAビームフォーマーは、50基の12メートル電波望遠鏡の信号をコherently結合し、1つの大きな開口部を持つ受信機を効果的に形成する。
• ALMAの低システム温度と良好な大気条件を活用することで、システム等価電flux密度（SEFD）がバンド3においてグリーン・バンク電波望遠鏡の2倍、VLBAのほぼ100倍優れている。
• ビームフォーミングにより、有効受光面積が増加し、特にバンド6およびバンド7（230 GHzおよび345 GHz）で熱雑音が低減され、高感度観測が可能になる。
• グローバルVLBIネットワークの主要ステーションとして機能し、他の電波望遠鏡と連携することで、ミリ秒角未満の空間分解能を達成する。
• 標準ALMA科学観測と並行して実施される共存観測（VLBI観測）と、ALMAベースライン相関器から得られる専用の干渉計データセットの両方をサポートする。
• スペクトル線および連続分光VLBIを可能とし、メーザー、86 GHzのSiOライン、赤方偏移した分子ラインの観測を通じて、宇宙における化学的進化を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相整合されたALMAは、近傍の活動銀河核において、スワーツシルト半径スケールでのブラックホール降着円盤およびジェットの初の画像を撮影できるか？
• RQ2 磁場はAGNおよびマイクロクェーサーにおけるジェット発生とコリメーションにどのように寄与しているのか？また、超高エネルギー光子放出と何らかの関連があるか？
• RQ3 ミリ波帯VLBIは、Sgr A*付近のパルサーを検出可能であり、キラー計量式の高精度な検証を可能にするか？
• RQ4 スペクトル線の赤方偏移を用いて測定された吸収系において、微細構造定数などの自然の基本定数が宇宙時間にわたって変化しているとされるが、その真偽はいかがなものか？
• RQ5 0.01–0.1 mas yr⁻¹の顕著な自己運動を示す銀河間電波源の原因は何か？また、ミリ波-VLBIはそのジェット構造との関連をどのように解明できるか？

主な発見

• 位相整合されたALMAは、バンド3においてグリーン・バンク電波望遠鏡よりも2倍、VLBAよりもほぼ2桁優れたシステム等価電flux密度（SEFD）を達成する。
• バンド3では、4 GHz帯域幅で1時間あたり20 μJy未満の単一偏光のrmsノイズが達成可能であり、スペクトル線感度は1 km s⁻¹チャンネルあたりほぼ2 mJyに達する。
• 230 GHzおよび345 GHz帯では、同等の基線長で位相整合SMAに比べてrmsノイズが7倍以上改善される。
• 230 GHzで1つの源を30時間観測するVLBIキャンペーンでは、連続分光で約2 μJy beam⁻¹、スペクトル線モードでは1.3 km s⁻¹チャンネルあたり0.2 mJy beam⁻¹のrms感度が得られる。
• VLBIキャンペーンにともなって得られるALMAの深宇宙干渉データセットにより、銀河中心部の高ダイナミクスレンジ像が可能になり、分光的・偏光的および時間スケール（数分から数年）の変動研究が可能になる。
• ビームフォーマーにより、銀河間電波源の高精度なastrometryが可能となり、16 Mpc離れた距離で10 μas yr⁻¹程度の運動を検出可能であり、銀河団の力学的挙動や恒星的異方性ドリフトの研究が可能になる。