[論文レビュー] LOFAR - Opening up a new window on the Universe

Hubb Rottgering, Róbert Braun+32 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2006

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 5

ひとこと要約

LOFARは、15–240 MHzの周波数帯で動作する次世代の低周波数電波望遠鏡であり、単純なアンテナの分散アレイと高度なコンputィングを用いて、高感度、高分解能、広視野を実現する。15、30、60、120、200 MHzでの深さのある広域サーベイにより、再電離時代、銀河系外源、瞬時変動源、宇宙線の画期的な研究が可能となり、これらの周波数帯で既存のサーベイと比較して2–3桁感度が向上する。

ABSTRACT

LOFAR, the Low Frequency Array, is a next-generation radio telescope that is being built in Northern Europe and expected to be fully operational at the end of this decade. It will operate at frequencies from 15 to 240 MHz (corresponding to wavelengths of 20 to 1.2 m). Its superb sensitivity, high angular resolution, large field of view and flexible spectroscopic capabilities will represent a dramatic improvement over previous facilities at these wavelengths. As such, LOFAR will carry out a broad range of fundamental astrophysical studies. The design of LOFAR has been driven by four fundamental astrophysical applications: (i) The Epoch of Reionisation, (ii) Extragalactic Surveys and their exploitation to study the formation and evolution of clusters, galaxies and black holes, (iii) Transient Sources and their association with high energy objects such as gamma ray bursts, and (iv) Cosmic Ray showers and their exploitation to study the origin of ultra-high energy cosmic rays. In this conference the foreseen LOFAR work on the epoch of reionisation has been covered by de Bruyn and on cosmic ray showers by Falcke. During this contribution we will first present the LOFAR project with an emphasis on the challenges faced when carrying out sensitive imaging at low radio frequencies. Subsequently, we will discuss LOFAR's capabilities to survey the low-frequency radio sky. Main aims for the planned surveys are studies of z>6 radio galaxies, diffuse emission associated with distant clusters and starbursting galaxies at z>2.

研究の動機と目的

• 電離圏および地上からの干渉のため、長らく未開拓であった低周波数電波窓（15–240 MHz）を天文学的探査に開くこと。
• 電離圏による位相歪みや動的範囲の制限といった、感度の高い低周波数イメージングにおける技術的課題を克服すること。
• 複数の周波数帯（15、30、60、120、200 MHz）をカバーする包括的なサーベイ戦略を設計し、広がりのある電波源のスペクトル特性を同定すること。
• 深さのある連続スペクトルサーベイを通じて、高赤方偏移電波銀河（z > 6）、拡散的銀河団放射、z > 2の星形成爆発銀河を検出すること。
• サブ秒時間分解能を備えた能力を活かし、瞬時変動源の検出および宇宙線シャワー研究においてLOFARを変革的機器として確立すること。

提案手法

• LOFARは、大型の機械的反射面ではなく、シンプルなダイポールアンテナの位相アレイを用い、アンテナの配置を最適化することで、アンテナ合成のコスト効率を高めている（低帯域：30–80 MHz；高帯域：115–240 MHz）。
• アンテナからの信号は、高性能PCのクラスタを用いてリアルタイムでビームフォーミングされ、1ステーションあたり最大8つの同時ビームを形成できる。
• 32基の密集したステーション（2×3 km圏内）からなる中央コアにより、アングスト分スケールの高感度と、1分未満の時間スケールでの電離圏補正が可能になる。
• 100 kmの基線長アレイを用いることで高分解能を達成し、100 kmを超える延長基線は、動的範囲と源検出感度を顕著に向上させると期待される。
• 相関器はIBM Blue Geneスーパーコンピュータとして実装されており、カスタムハードウェアに取って代わり、リアルタイムかつ高スループットのデータ処理を可能としている。
• 60 MHzでサーベイ深度を最適化している。これは30 MHzと120 MHzの調和平均として算出され、スペクトルが空間的に変化する源の最適なスペクトルサンプリングを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LOFARは、電離圏による歪みと地上からの干渉の影響を受ける低周波数電波帯域（15–240 MHz）において、どのように高感度・広視野イメージングを達成できるか？
• RQ2 高赤方偏移電波源および拡散放射の検出を最大化するための最適な多周波数サーベイ戦略（15、30、60、120、200 MHz）は何か？
• RQ3 120–200 MHzのLOFARの深さのあるサーベイが、より低い周波数で観測されているにもかかわらず、最も深いeVLAサーベイと同等の平坦スペクトル源を検出できる範囲はどの程度か？
• RQ4 高動的範囲と広帯域を組み合わせることで、1秒未満の時間スケールでの瞬時変動電波源の検出がどの程度向上するか？
• RQ5 LOFARの基線を100 kmを超えて延長した場合、銀河系外サーベイにおける微弱で広がりのある構造の解像度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• LOFARが計画する120 MHzおよび200 MHzのサーベイは、既存の最も深い電波サーベイと同等のフラックス限界に達し、これらの周波数帯で過去のいかなる大面積サーベイよりも2–3桁感度が向上する。
• 15、30、60 MHzのサーベイは、スペクトル指数α > -1.0の源を、最も深い1.4 GHzサーベイと同等のレベルで検出可能であり、低周波数源の広範なスペクトルカバレッジを可能にする。
• スペクトル指数がα = -1.2より急な源については、120 MHzおよび200 MHzのサーベイが、低周波数で観測されているにもかかわらず、超深さeVLA 1.4 GHzサーベイの感度に匹敵する。
• 60 MHzサーベイの導入により、30 MHzと120 MHzの間の重要なスペクトルギャップが埋められ、電波ハローやリライドのような広がりのある源のスペクトル指数マッピングが正確に可能になる。
• LOFARの中央コアに位置する32基のステーションは、1分未満の時間スケールで電離圏補正を可能にし、長時間積算においても安定で高精度のイメージングを実現する。
• 200 MHzで最大250 deg²のサーベイ領域をカバーできるLOFARは、低周波数電波の空を深く広く観測する最初の試みとなり、高赤方偏移銀河および銀河団の統計的調査を可能にする。