[論文レビュー] The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST)

Pamela Klaassen, Tony Mroczkowski+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Superconducting and THz Device Technology被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、未だかつてないほど深く、高分解能の広域スキャンを可能にする、50mの単一電波望遠鏡であるアタカマ大口径サブミリ波長望遠鏡（AtLAST）を提案する。1°の視野角、高スループット光学、およびヘテロダイン分光計、マルチクロイック連続スペクトルカメラ、直接検出型IFUを含む高度な機器群を備えることで、原始星核の解像と遠方の微弱な銀河の検出を可能にし、星形成・銀河形成・宇宙論・コンact対象の進化に関する画期的な科学的成果をもたらす。

ABSTRACT

The sub-mm sky is a unique window for probing the architecture of the Universe and structures within it. From the discovery of dusty sub-mm galaxies, to the ringed nature of protostellar disks, our understanding of the formation, destruction, and evolution of objects in the Universe requires a comprehensive view of the sub-mm sky. The current generation single-dish sub-mm facilities have shown of the potential for discovery, while interferometers have presented a high resolution view into the finer details. However, our understanding of large-scale structure and our full use of these interferometers is now hampered by the limited sensitivity of our sub-mm view of the universe at larger scales. Thus, now is the time to start planning the next generation of sub-mm single dish facilities, to build on these revolutions in our understanding of the sub-mm sky. Here we present the case for the Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST), a concept for a 50m class single dish telescope. We envision AtLAST as a facility operating as an international partnership with a suite of instruments to deliver the transformative science described in many Astro2020 science white papers. A 50m telescope with a high throughput and 1$^\circ$ FoV with a full complement of advanced instrumentation, including highly multiplexed high-resolution spectrometers, continuum cameras and Integral Field Units, AtLAST will have mapping speeds thousands of times greater than any current or planned facility. It will reach confusion limits below $L_*$ in the distant universe and resolve low-mass protostellar cores at the distance of the Galactic Center, providing synergies with upcoming facilities across the spectrum. Located on the Atacama plateau, to observe frequencies un-obtainable by other observatories, AtLAST will enable a fundamentally new understanding of the sub-mm universe at unprecedented depths.

研究の動機と目的

• 大規模なサブミリ波長天のスキャンにおいて、現在の感度とスキャン速度の不足が、宇宙構造やダストを含む銀河の進化の理解を制限しているという現状のギャップを埋めるため。
• 既存の単一電波望遠鏡施設およびVLBIの限界を克服し、遠方宇宙におけるL*未満の混雑限界に達する高スループット・広視野の望遠鏡を提供するため。
• ALMAの高分解能発見をより広い宇宙論的文脈に位置づけるために、高空間・高スペクトル分解能でサブミリ波長天の広域マッピングを可能にするため。
• すべてのデータをアーカイブ化し、公開可能な中央集約型観測所アーカイブを通じて誰もがアクセスできるようにし、オープンソースのソフトウェア開発を採用することで、コミュニティ参加を促進し、長期的な科学的インパクトを確保する、グローバルに利用可能なオープンサイエンス観測所を確立するため。
• LSST、SPHEREx、eROSITA、SKAなどの予定されている多波長スキャンと、SPICA や CMB-HD といった将来的な宇宙ミッションと連携し、多メッセンジャー・多波長科学を強化する次世代施設を構築するため。

提案手法

• 1.5 THzまで周波数に最適化されたサブミリ波長用の高スループット光学を備えた50mの開口部を持つ単一電波望遠鏡を設計し、標高が高く乾燥したアタカマの立地を活用する。
• 初号機機器として、高分解能ヘテロダイン分光計、マルチクロイック帯域連続スペクトルカメラ、1000以上の空間チャンネルを持つ直接検出型統合フィールドユニット（IFU）の機器群を統合する。
• 200万個のボロメータを備えた連続スペクトルカメラと、高多重化されたSISミキサーを備えたヘテロダイン受信機を用い、高感度と高速マッピングを実現する高度な検出器技術を採用する。
• 機器間で共通のバックエンドアーキテクチャを採用することでコスト削減と統合性向上を図り、ミリケルビン温度での検出器運用を可能にする冷却システムを導入する。
• オープンソースのソフトウェア開発とデータポリシーを採用し、すべてのデータを中央集約型観測所アーカイブに保存し、公開可能にする。
• 建設および現場準備コストを削減するため、アタカマ天文パークの既存インfraを活用し、強風条件下でも構造的安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大口径・高スループットの単一電波サブミリ波望遠鏡は、現在の施設の感度およびスキャン速度の限界をどのように克服し、未だかつてないほど深いサブミリ波天のマッピングを実現できるか？
• RQ2 星形成および銀河進化の研究を可能にするために、広視野で高分解能分光、連続スペクトル画像、統合フィールド分光を実現する最適な機器群は何か？
• RQ3 AtLASTはどのようにして、遠方宇宙におけるL*未満の混雑限界に達する感度を実現し、微弱でダストを含むサブミリ波長銀河の検出を可能にするか？
• RQ4 LSST、eROSITA、SPHEREx、ngVLA といった予定の多波長施設と、どのような連携を図ることで、多メッセンジャー・多波長科学を強化できるか？
• RQ5 AtLASTは、長期的な運用可能性とコミュニティ主導の科学プログラムを実現するため、どのように持続可能なオープンサイエンス観測所として設計できるか？

主な発見

• AtLASTは、現在または計画中のいかなるサブミリ波望遠鏡よりも、マッピング速度が数千倍速くなると予測され、サブミリ波天の深さと広域スキャンが可能になる。
• この望遠鏡は、銀河中心の距離にまで、低質量の原始星核を解像可能となり、初期星形成プロセスに関する重要な知見が得られる。
• 200万個の検出器を備えたマルチクロイック連続スペクトルカメラを含む提案された機器群の総費用は約9000万ドルと推定され、そのうち10％が冷却器および光学部品に割り当てられる。
• 技術成熟度が約4の直接検出型IFUは、1000以上のチャンネルを1空間要素にスケーラブルに実装するという未検証の課題を抱えており、コストの不確実性が最も高いとされ、推定費用は4億ドルに達する。
• 望遠鏡本体、初号機機器、25％の予算オーバーヘッドを含めたAtLASTの総費用は、2019年のドル換算で約10億ドルと推定され、地上望遠鏡プロジェクトにおける「大型」カテゴリに位置づけられる。
• 建設は今世紀中にはじまる見通しであり、初号光は10年以内に達成され、予想される運用寿命は30年以上にのぼる。