[論文レビュー] LOFAR-UK White Paper: A Science case for UK involvement in LOFAR

P. N. Best, Consortium, the LOFAR-UK|ArXiv.org|Feb 8, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、イギリスにおけるLOFARへの参加を提唱しており、イギリス全域に4つの専用の低周波数電波ステーションを設置することで、深宇宙調査におけるサブアーキセコンド角分解能と感度の向上を実現する。このプロジェクトは、イギリスを次世代電波天文学の最前線に位置づけ、宇宙論、一時的現象、再電離時代の研究を支援するとともに、Square Kilometre Array（SKA）の準備を進める専門的知見を構築することを目的としている。

ABSTRACT

LOFAR, the Low-Frequency Array, is a next-generation software-driven radio telescope operating between 30 and 240MHz, currently under construction by ASTRON in the Netherlands. This low frequency radio band is one of the few largely unexplored regions of the electromagnetic spectrum. The sensitivity and angular resolution offered by LOFAR will be two to three orders of magnitude better than existing telescopes, and as such it will open up this new window on the Universe. LOFAR will impact on a broad range of astrophysics, from cosmology to solar system studies. There is growing European involvement in LOFAR, driven by the need to add stations far from the main core in order to improve angular resolution. LOFAR-UK is a project aimed at cementing UK participation in LOFAR via the operation of four stations within the UK. LOFAR-UK ground stations will allow LOFAR observations to reach sub-arcsecond scales at the highest frequencies, and as a result will also improve the (confusion-limited) sensitivity limit of the telescope for deep surveys. LOFAR-UK will achieve involvement for UK astronomers in a world-leading science facility operating in the immediate future. It will allow the UK to build up important scientific and technical expertise in `next generation' radio astronomy in preparation for the Square Kilometre Array (SKA), and will play an important role in broadening the UK community that has an interest in radio astronomy. This White Paper outlines the strategic importance to the UK astronomy community of gaining involvement in the LOFAR project, the scientific interests of UK researchers in using the telescope, and the technical challenges that will need to be overcome [abridged].

研究の動機と目的

• イギリス主導の4基のLOFARステーション設置を推進し、ヨーロッパLOFARアレイの角分解能と感度を向上させること。
• イギリスの天文学者が再電離時代、深宇宙銀河赤方偏移調査、一時的現象といった主要科学分野で主導的役割を果たせるようにすること。
• Square Kilometre Array（SKA）に備えるために、低周波数電波天文学分野における技術的・科学的専門知識を育成すること。
• 長基線干渉計測技術とデータ送信インfraストラクチャを強化し、動的電波源の高時間分解能観測を可能にすること。
• 光学、赤外、高エネルギー観測と統合することで、多波長・多メッセンジャー科学を支援すること。

提案手法

• ヨーロッパLOFARアレイの基線を延長するために、イギリスに4基の専用LOFARステーションを設置し、高周波数帯でサブアーキセコンド分解能を達成すること。
• 既存のファイバー網（例：Janet、e-MERLIN）を活用し、イギリスのステーションからオランダの中央処理ハブへのリアルタイムデータ送信を実現すること。
• 長基線キャリブレーション技術を導入し、拡張された基線間で位相安定性を維持することで、高精度イメージングと一時的現象検出に不可欠な性能を確保すること。
• ソフトウェア定義無線システムとビームフォーミングアルゴリズムを活用し、アレイ全体の個々のステーションからの信号をコherently合成すること。
• HST、VISTA、Herschelなどからの光学、近赤外、サブミリ波長調査と統合し、天体をクロス識別し、宇宙の進化を研究すること。
• GRIDコンピューティングやe-Scienceフレームワークを活用した高度なデータ処理技術を適用し、大規模データアーカイブの管理と共同分析を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イギリスに設置されたLOFARステーションは、30–240 MHz帯の深宇宙調査において、角分解能と混雑限界感度をどのように顕著に向上させることができるか？
• RQ2 低周波数電波観測は、再電離時代の赤方偏移21 cm信号を検出する上で果たす役割は何か？イギリスのステーションは、前景信号除去戦略にどのように貢献できるか？
• RQ3 電波活性AGNおよびそのフィードバック機構は宇宙時間の経過とともにどのように進化するか？深宇宙LOFAR調査は、高赤方偏移電波銀河やクェーサーに関する何を明らかにできるか？
• RQ4 個々のLOFARステーションは、コロナルシャock や太陽フレアなどの太陽およびヘリオスフィア現象の高時間分解能観測を可能にするか？
• RQ5 LOFAR-UKは、一様に電波放射を示す超高エネルギー宇宙線シャワーを検出する可能性を有するか？また、地上検出器とどのようにキャリブレーションできるか？

主な発見

• イギリスのステーションをヨーロッパアレイに追加することで、LOFARの高周波数帯でサブアーキセコンド角分解能を達成する。
• イギリスに4基のステーションを追加することで、即時の(u,v)平面上のカバレッジが著しく向上し、一時的電波源の高時間分解能スナップショット観測が可能になる。
• LOFAR-UKは、これまでにない深さの広域電波調査を可能にし、既存の機器と比較して感度を2〜3桁向上させる。
• イギリスの参加により、再電離時代の赤方偏移21 cm信号の検出と特徴付けを主導できるようになる。これは、重要な宇宙論的プローブである。
• LOFAR-UKは、X線連星の爆発、AGNの変動、パルサーの観測を高頻度モニタリングによって支援し、電波一時的現象の研究を後押しする。
• 本プロジェクトは、1基のステーションの初期資金を確保しており、合計4基の設置に向けた追加資金を募集中であり、STFCおよびEU Framework 7資金を活用した長期運用計画を策定中である。