[論文レビュー] Science with ASKAP - the Australian Square Kilometre Array Pathfinder

S. Johnston, R. Taylor+48 more|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 307被引用数 250

ひとこと要約

本論文は、電波パラボリック反射器に位相配列素子を用いた技術を採用する広視野電波望遠鏡であるオーストラリア・スクエアキロメーター・アレイ・パスファイダー（ASKAP）の科学的潜在能力を概説している。ASKAPは、電波の波長がセンチメートルおよびメートル帯域で、深さのある大面積の天の川スキャンを実施する。ASKAPは、原子水素（HI）で発光する最大100万個の銀河、6000万個の非熱的放射（シンクロtron放射）による銀河、50万個を超える偏光源を検出する予定であり、銀河進化、宇宙磁気圏、一時的現象、パルサー計測の分野で画期的な進展をもたらす。また、この望遠鏡は、将来のスクエアキロメーター・アレイ（SKA）の技術的予備実験としても機能する。

ABSTRACT

[ABRIDGED VERSION] The future of cm and m-wave astronomy lies with the Square Kilometre Array (SKA), a telescope under development by a consortium of 17 countries. The SKA will be 50 times more sensitive than any existing radio facility. A majority of the key science for the SKA will be addressed through large-area imaging of the Universe at frequencies from 300 MHz to a few GHz. The Australian SKA Pathfinder (ASKAP) is aimed squarely in this frequency range, and achieves instantaneous wide-area imaging through the development and deployment of phase-array feed systems on parabolic reflectors. This large field-of-view makes ASKAP an unprecedented synoptic telescope poised to achieve substantial advances in SKA key science. The central core of ASKAP will be located at the Murchison Radio Observatory in inland Western Australia, one of the most radio-quiet locations on the Earth and one of the sites selected by the international community as a potential location for the SKA. Following an introductory description of ASKAP, this document contains 7 chapters describing specific science programmes for ASKAP. The combination of location, technological innovation and scientific program will ensure that ASKAP will be a world-leading radio astronomy facility, closely aligned with the scientific and technical direction of the SKA. A brief summary chapter emphasizes the point, and considers discovery space.

研究の動機と目的

• 300 MHzから数GHzの周波数帯域における広視野・大面積スキャンに特化した、スクエアキロメーター・アレイ（SKA）の予備実験としてASKAPの科学的能力を示すこと。
• 高い感度と広視野観測により、銀河形成・進化、磁場の進化、一時的電波天体の性質といった主要な宇宙物理学的課題に取り組むこと。
• 将来のSKA運用のための電波静穏地域をオーストラリア西部に確保するとともに、将来的なSKA中周波数システムに向けた位相配列素子技術のプロトタイピングを実施すること。
• 原子水素（HI）線で発光する100万個の銀河、シンクロtron放射で発光する6000万個の銀河、50万個を超える偏光源を検出・同定することで、時間的経過に伴う宇宙の進化と磁場の分布をマッピングすること。
• 1000個の新しい電波パルサーを発見・計測し、変動・一時的電波源（ガンマ線バーストの後光や日単位変動源を含む）を監視することで、高エネルギー現象を解明すること。

提案手法

• パラボリック反射器に位相配列素子を組み合わせ、最大30平方度の即時の視野を実現し、広範囲の空域を迅速にスキャン可能とする。
• 300 MHzから数GHzの周波数帯域で、深さのある連続スペクトルおよび線スペクトルスキャンを実施し、銀河のHI 21cm線放射およびシンクロtron放射を対象とする。
• 高いダイナミックレンジの画像処理と高い時間分解能処理を導入し、秒から数か月の時間スケールで変動する天体を検出する。
• 非常に長い基線電波干渉計測（VLBI）ネットワークを用いた干渉合成処理により、高解像度を実現し、天体の正確な位置特定と追跡観測を可能にする。
• 偏光測定を用いて、天の川全域の回折角（回転測定）を測定し、銀河および銀河間空間の磁場をマッピングする。
• リアルタイムデータ処理パイプラインを統合し、一時的天体候補を特定・フラグ付けし、複数の波長帯で追跡観測を優先する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移が0.2までの範囲で、銀河内に存在する原子水素（HI）の分布と進化はどのように変化するのか。これにより、銀河形成やガス降着プロセスの理解がどのように進むのか。
• RQ2 銀河内の磁場は宇宙的時間経過とともにどのように進化するのか。大規模な回折角グリッドは、宇宙規模の磁場構造をどのように明らかにするのか。
• RQ3 宇宙時間の経過に伴い、電波発光銀河の集団とその発光関数はどのように変化するのか。星形成活動やAGN活動のトレーサーとして、これらはどのように関連するのか。
• RQ4 広視野かつ高感度スキャンによって新たに発見可能な一時的・変動的電波源のクラスは何か。これらは高エネルギー現象とどのように関連しているのか。
• RQ5 ASKAPは1000個の新しい電波パルサーを検出し、計測できるか。この成果は、低周波数重力波検出のためのグローバルパルサーチェインの感度をどのように向上させるのか。

主な発見

• ASKAPは、赤方偏移0.2までをカバーする75％の空域で、最大100万個のHI放射銀河を検出すると予想され、近傍宇宙におけるガスを多く含む銀河の包括的インventリを可能にする。
• 同望遠鏡は、約6000万個の銀河からのシンクロtron放射を検出すると予想され、電波で明るい銀河集団の深さのある視認を可能にし、大規模構造スキャンを用いた宇宙論的テストを可能にする。
• 50万個を超える偏光電波源が検出されると予想され、10′解像度の回折角グリッドを作成することで、銀河および銀河間空間の磁場をマッピング可能となる。
• ASKAPの広視野と1mJy未満の感度により、1日で全空をスキャン可能であり、珍しい一時的電波現象の検出に特に適している。
• 同機器は、約1000個の新しい電波パルサーを発見・計測すると予想され、低周波数重力波検出のためのパルサーチェインの感度を顕著に向上させる。
• 高い感度、広視野、高い時間分解能の組み合わせにより、FASTやガンマ線バーストの電波的対応天体など、新たな一時的天体クラスの発見が可能となり、未知の天体物理学的現象の解明も期待される。