[論文レビュー] Next Generation Very Large Array Memo No. 5: Science Working Groups -- Project Overview

C. L. Carilli, Mark McKinnon+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、VLA や ALMA よりも10倍の集光面積と10倍の分解能を持つ次世代の干渉電波アレイであるNext Generation Very Large Array (ngVLA)を提案する。1 GHz から 115 GHz の周波数帯で動作し、熱的ラインおよび連続放射の超高感度・ミリ秒オーダー分解能イメージング、非熱的プロセスの広帯域偏光測定を可能にし、惑星形成、銀河進化、一時的現象の分野における新たな科学的知見を解き放つ。

ABSTRACT

We summarize the design, capabilities, and some of the priority science goals of a next generation Very Large Array (ngVLA). The ngVLA is an interferometric array with 10x larger effective collecting area and 10x higher spatial resolution than the current VLA and the Atacama Large Millimeter Array (ALMA), optimized for operation in the wavelength range 0.3cm to 3cm. The ngVLA opens a new window on the Universe through ultra-sensitive imaging of thermal line and continuum emission down to milliarcecond resolution, as well as unprecedented broad band continuum polarimetric imaging of non-thermal processes. The continuum resolution will reach 9mas at 1cm, with a brightness temperature sensitivity of 6K in 1 hour. For spectral lines, the array at 1" resolution will reach 0.3K surface brightness sensitivity at 1cm and 10 km/s spectral resolution in 1 hour. These capabilities are the only means with which to answer a broad range of critical scientific questions in modern astronomy, including direct imaging of planet formation in the terrestrial-zone, studies of dust-obscured star formation and the cosmic baryon cycle down to pc-scales out to the Virgo cluster, making a cosmic census of the molecular gas which fuels star formation back to first light and cosmic reionization, and novel techniques for exploring temporal phenomena from milliseconds to years. The ngVLA is optimized for observations at wavelengths between the superb performance of ALMA at submm wavelengths, and the future SKA1 at few centimeter and longer wavelengths. This memo introduces the project. The science capabilities are outlined in a parallel series of white papers. We emphasize that this initial set of science goals are simply a starting point for the project. We invite comment on these programs, as well as new ideas, through our public forum link on the ngVLA web page https://science.nrao.edu/futures/ngvla

研究の動機と目的

• 次世代電波干渉計の科学的動機と、準ミリ波からセンチメートル波長帯に最適化された技術的要件を定義すること。
• プロト惑星系円盤、星形成領域、遠方銀河からの熱放射の超高感度・高分解能イメージングを可能にすることで、現在の観測施設の重要なギャップを埋めること。
• ALMA（準ミリ波帯）とSKA-1（より長い波長）の間の観測ギャップを埋め、特に冷却分子ガスと非熱的プロセスの研究を可能にすること。
• 局所スーパクラスタ内において、パーセクスケールまで達する拡張構造の広域・高表面輝度イメージングを可能にすること。
• ミリ秒から数年までの時間スケールの変動現象（フェア・ラジオ・バーストや潮汐破壊イベントなど）を検出・特徴付けることができる施設を確立すること。

提案手法

• VLA や ALMA よりも10倍の効果的集光面積と、最大300 kmの10倍の基線長を持つ干渉計アレイを設計すること。
• キルオメートルスケールの密集したアンテナコアを設置し、拡張した放射の高表面輝度感度を達成すること。
• 0.3 cm から 3 cm の波長範囲（1 GHz から 115 GHz）で動作するように最適化し、主要な分子遷移と連続放射メカニズムをカバーすること。
• アストロメトリックおよび時間領域応用のためのVLBI機能を統合し、マイクロ秒オーダーの位置精度を実現すること。
• 高スペクトル分解能（10 km s⁻¹）と広帯域を組み合わせ、複雑なライン放射と連続放射成分を分離すること。
• フルステークス偏光測定と広帯域連続放射イメージングを可能にし、シンチロトロン放射や磁場といった非熱的プロセスを研究すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ngVLAは、1 AUスケールで9 mas分解能とKレベルの感度を達成し、130 pc離れた距離のプロト惑星系円盤の地球型惑星形成領域を直接イメージングできるか？
• RQ2 冷却分子ガスが宇宙時間にわたる星形成をどのように駆動しているか。また、z ≈ 2 まで高感度・高分解能でマッピングするにはどうすればよいか？
• RQ3 ngVLAは、ALMAが見逃すような拡散的・低励起状態のガスを含む、銀河内のガスの大規模構造（潮汐流や降着）をどのようにイメージングできるか？
• RQ4 ngVLAは、全スペクトル・偏光・高時間分解能観測により、フェア・ラジオ・バーストや潮汐破壊イベントを含む高速・低速の一時的現象を検出・特徴付ける可能性をどの程度持っているか？
• RQ5 ngVLAの感度と分解能は、最初の銀河から現在の宇宙までの分子ガスの宇宙的インventoriesをどのように可能にするか？

主な発見

• ngVLAは1 cm波長で9 mas分解能、1時間の積算で6 Kの輝度温度感度を達成し、130 pc離れた距離の惑星形成領域の直接イメージングが可能となる。
• 1 cm波長、1″分解能、1時間積算で0.3 Kの表面輝度感度、10 km s⁻¹のスペクトル分解能を達成し、冷たい分子ガスからの熱的ライン放射を検出可能となる。
• Virgo銀河クラスタ距離（27 Mpc）でのO7.5型主系列星に付随するHII領域を、30 GHzで0.1 μJy beam⁻¹、0.5″ビームサイズの感度で検出可能となる。
• 高赤方偏移銀河（z ≈ 2）におけるガスの大規模分布を、0.9 kpcのビームサイズでイメージング可能であり、潮汐流や衛星銀河などの拡張構造を検出可能となる。
• ngVLAの拡散的・低励起ガスに対する感度は、JVLAの約100倍、ALMAの約1000倍であり、z=2でH₂質量の下限3.3×10⁸ M⊙（α/4）を検出可能となる。
• ngVLAの広帯域・フルステークス偏光測定と高速応答モードにより、超高速一時的現象（例：FRB）の検出と、AGN や新星などの遅い一時的現象のモニタリングが、未曾有の感度と空間分解能で可能となる。