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

S. Johnston, Ilana Feain+1 more|ArXiv.org|Mar 24, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、36基の12メートルの電波望遠鏡に位相配列フィードを装備させ、30平方度の広い視野を実現する次世代の電波望遠鏡、オーストラリア・スクエアキロメートルアレイ・パスファイダー（ASKAP）の概要を提示する。この広視野により、電波の波長がセンチメートルおよびメートル帯域で、迅速かつ高感度の天の川スカイスキャンが可能となる。ASKAPの主な貢献は、銀河進化、宇宙磁気、および一時的天体といった主要なSKA科学分野において、技術的実証と顕著な進歩を達成したことである。連続スペクトル観測の感度は37 μJy/beamまで達し、スキャン速度は最大1.3 × 10⁵ m⁴ K⁻² deg²/hrに達する。

ABSTRACT

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 that will be 50 times more sensitive than any existing radio facility. Most of the key science for the SKA will be addressed through large-area imaging of the Universe at frequencies from a few hundred MHz to a few GHz. The Australian SKA Pathfinder (ASKAP) is a technology demonstrator aimed in the mid-frequency range, and achieves instantaneous wide-area imaging through the development and deployment of phased-array feed systems on parabolic reflectors. The large field-of-view makes ASKAP an unprecedented synoptic telescope that will make substantial advances in SKA key science. 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 two sites selected by the international community as a potential location for the SKA. In this paper, we outline the ASKAP project and summarise its headline science goals as defined by the community at large.

研究の動機と目的

• 中周波帯のスクエアキロメートルアレイ（SKA）のための主要技術、特にパラボリック反射器に装着された位相配列フィードを用いた広視野イメージング技術の実証とプロトタイピングを行う。
• 銀河進化や宇宙磁気といったSKAの主要科学プロジェクトに関連する世界的水準の天文観測を実施する。
• 1 GHz未満の周波数帯で干渉を最小限に抑えるために、オーストラリア西部に長期間にわたる電波天文観測に適した電波静穏地域を確保する。
• 調査科学およびデータ解析に研究者を参加させることで、SKAの利用者コミュニティを構築する。

提案手法

• ASKAPは、36基の12メートルの電波望遠鏡に位相配列フィードシステムを装備させ、周波数に依存しない30平方度のインスタントビューアスコープを実現する。
• 望遠鏡は700–1800 MHzの周波数帯域で動作し、300 MHzのインスタントバンド幅を有することで、高速なスキャンと高感度を実現する。
• ビームフォーミング技術を用いて、36基のアンテナからの信号をコherently合成し、機械的ステアリングなしで広範囲のイメージングを可能にする。
• アレイは、2 kmの直径内に28基のアンテナを配置し、残りの8基を3 kmまで拡張することで、最大6 kmの基線長を達成し、高分解能を実現する。
• スキャン速度は、有効受光面積A、システム温度T、視野Fに比例する式 A²T⁻²F に従い、感度はAT⁻¹に比例する。
• システムは50 Kのシステム温度を最適化として設定し、さまざまな分解能（10”から180”）と科学モード（連続スペクトル、スペクトル線、表面輝度）におけるスキャン速度と感度を計算している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相配列フィード技術をパラボリック反射器に効果的に適用することで、センチメートルおよびメートル波長帯域で広視野かつ高速なスキャンを実現する方法は何か？
• RQ2 連続スペクトル、スペクトル線、表面輝度スキャンといった異なる科学的目的を満たすために、最適なアレイ構成は何か？
• RQ3 ASKAPは、赤方偏移z = 0.2までの80％の空域にわたり、銀河からの原子水素（H I）線発光をどの程度検出できるか。その検出は、銀河形成とガス進化に関するどのような知見をもたらすか？
• RQ4 ASKAPは、どれほどの数のパルサーおよび一時的天体を検出できるか。その検出結果は、中性子星進化モデルや重力波検出に関する制約をどのようにもたらすか？
• RQ5 ASKAPは、銀河からの偏光発光をマッピングし、時間経過に伴う宇宙磁場の進化を追跡する可能性をどの程度持っているか？

主な発見

• ASKAPは1.3 × 10⁵ m⁴ K⁻² deg²/hrのスキャン速度を達成し、感度は65 m² K⁻¹に達する。これは、最終的なSKA性能の数パーセントに相当する。
• 10”分解能の場合、ASKAPは300 MHz帯域幅で100 μJyの感度を達成し、連続スペクトルスキャン速度は220 deg²/hrに達する。
• 1時間の観測における連続スペクトル感度は、10”分解能で37 μJy/beam、180”分解能で132 μJy/beamに達する。
• 100 kHz分解能、5 mJy感度のスペクトル線スキャンでは、10”分解能で184 deg²/hrのスキャン速度を達成する。
• 表面輝度スキャンでは、30”分解能で5 kHzチャンネルで1 Kの感度を達成し、スキャン速度は1.1 deg²/hrに達する。1時間の観測で5.2 Kの感度を達成する。
• 本プロジェクトでは、H I発光による最大100万個の銀河、シンクロtron発光による6000万個の銀河、50万個を超える偏光源の検出を予想しており、宇宙磁気および銀河進化の大規模な研究を可能にする。