[論文レビュー] The CCAT-Prime Submillimeter Observatory

Manuel Aravena, Jason E. Austermann+54 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Superconducting and THz Device Technology参考文献 39被引用数 12

ひとこと要約

CCAT-Prime は、[CII]線強度マッピング、銀河団のサンヤエフ＝ゼルドビッチ効果、CMBの偏光を用いて宇宙構造をマッピングすることを目的とした6メートルのサブミリ波長望遠鏡である。Prime-Cam を搭載することで、再電離時代（z = 3.5–8.0）の3次元トモグラフィーが可能となり、微弱な銀河からの総合的[CII]放射を測定でき、高感度かつ広視野（最大8°）を実現する次世代CMBおよび線強度マッピング調査を支援する。

ABSTRACT

The Cerro Chajnantor Atacama Telescope-prime (CCAT-prime) is a new 6-m, off-axis, low-emissivity, large field-of-view submillimeter telescope scheduled for first light in the last quarter of 2021. In summary, (a) CCAT-prime uniquely combines a large field-of-view (up to 8-deg), low emissivity telescope (< 2%) and excellent atmospheric transmission (5600-m site) to achieve unprecedented survey capability in the submillimeter. (b) Over five years, CCAT-prime first generation science will address the physics of star formation, galaxy evolution, and galaxy cluster formation; probe the re-ionization of the Universe; improve constraints on new particle species; and provide for improved removal of dust foregrounds to aid the search for primordial gravitational waves. (c) The Observatory is being built with non-federal funds (~ \$40M in private and international investments). Public funding is needed for instrumentation (~ \$8M) and operations (\$1-2M/yr). In return, the community will be able to participate in survey planning and gain access to curated data sets. (d) For second generation science, CCAT-prime will be uniquely positioned to contribute high-frequency capabilities to the next generation of CMB surveys in partnership with the CMB-S4 and/or the Simons Observatory projects or revolutionize wide-field, sub-millimetter line intensity mapping surveys.

研究の動機と目的

• 再電離時代（z = 3.5–8.0）における星形成銀河の大規模3次元分布を、[CII] 158 μm線強度マッピングを用いてマッピングすること。
• 銀河団集団の広域サブミリ波長調査を通じて、銀河団形成およびサンヤエフ＝ゼルドビッチ効果を研究すること。
• 高感度かつ広視野でのCMB偏光測定を実施し、初期宇宙の重力波および新しい素粒子物理学に関する制約を強化すること。
• ALMA、JWST、ngVLA と補完するため、微弱で分解できない銀河からの集積信号を捉えること。
• 連邦政府以外の資金および公的機器支援を通じて、コミュニティがデータを整理し、共同調査計画に参加できるようにすること。

提案手法

• チリの標高5600メートルの地点に位置する6メートルの非対称的・低放射率（≤2%）サブミリ波長望遠鏡を用い、高い大気透過率と広視野（最大8°）を達成する。
• 複数の科学モジュールを備えた広視野ボロメトリックカメラ、Prime-Cam を採用し、赤方偏移にわたる[CII]、[OIII]、CO線の同時観測が可能である。
• COSMOS、CDFS、HERA-Dark、Stripe 82、GAMA などの主要レガシーフィールドで、8 deg² の広域領域を深さある調査し、[CII] に対して220 GHzで0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹ の感度、ダスト連続スペクトルに対して860 GHzで2.5 mJy beam⁻¹ の感度を達成する。
• 地上での再組立中に表面精度を検証するため、レーザー干渉計測定およびタワー・ホログラフィーを用い、1マイクロメートル未満のアライメント精度を確保する。
• 運用および科学運用のためのボトムアップ型コストモデルを適用し、データキュレーション、コミュニティワークショップ、広く一般の天文学コミュニティへのデータアクセスを含む。
• CMB-S4 およびシモンズ観測所プロジェクトと統合することで、次世代CMBおよび線強度マッピングに向けた高周波数能力を活用し、第二世代の科学を推進する計画である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離時代（z = 3.5–8.0）における大規模構造の3次元トモグラフィーは、[CII]強度マッピングを用いてどのように達成できるか？
• RQ2 分解できない星形成銀河からの総合的[CII]放射パワーは何か？また、それは宇宙構造およびダークマターの揺らぎをどのようにトレースするか？
• RQ3 広視野サブミリ波長調査を用いて、高赤方偏移での銀河団のサンヤエフ＝ゼルドビッチ効果を介して検出・特徴づける方法は何か？
• RQ4 高感度CMB偏光測定により、初期宇宙の重力波および新しい素粒子種に対してどのような制約を課すことができるか？
• RQ5 Prime-Cam のマルチバンド・広視野能力は、ALMA や JWST といった高分解能施設とどのように相乗効果をもたらし、微弱で高赤方偏移の源を探査するか？

主な発見

• CCAT-Prime は、8 deg² の領域で2000時間の観測を実施し、220 GHz における [CII] 強度マッピングで 0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹ の感度を達成する。
• ダスト連続スペクトルに対して 860 GHz で 2.5 mJy beam⁻¹ の検出感度を有し、ダストで覆われた星形成銀河の深さある調査が可能になる。
• Prime-Cam は、158 μm での [CII]、88 μm での [OIII]、赤方偏移にわたる複数の CO 線を同時にマッピングし、高赤方偏移源のマルチライン分光法を可能にする。
• 初光は2021年Q4に予定されており、初光科学調査は5年間を予定し、合計で10〜20年間の予想寿命を有する。
• Prime-Cam には連邦政府資金800万ドル、運用には年間100万〜200万ドルが割り当てられ、望遠鏡およびインfra構築には民間および国際資金4000万ドルが充当される。
• CCAT-Prime は、高周波数サブミリ波長能力を提供し、広視野線強度マッピング調査を可能にするため、CMB-S4 およびシモンズ観測所を支援する点で他に類いまれな位置を占めている。