[論文レビュー] The Radio Sky on Short Timescales with LOFAR: Pulsars and Fast Transients

J. W. T. Hessels, B. W. Stappers+2 more|ArXiv.org|Mar 8, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ミリ秒スケールの時間分解能を活かした低周波数電波全天のモニタリングにおいて、LOFARが示す能力を提示している。高時間分解能のビーム形成データにより、パルサーおよび高速電波トランジエンスの感受性の高い検出が可能である。初期稼働観測では、既知のパルサーからの統合放射および単一の分散パルスが正常に検出され、新規の中性子星および一時的現象の発見の可能性を示した。

ABSTRACT

LOFAR, the "low-frequency array", will be one of the first in a new generation of radio telescopes and Square Kilometer Array (SKA) pathfinders that are highly flexible in capability because they are largely software driven. LOFAR will not only open up a mostly unexplored spectral window, the lowest frequency radio light observable from the Earth's surface, but it will also be an unprecented tool with which to monitor the transient radio sky over a large field of view and down to timescales of milliseconds or less. Here we discuss LOFAR's current and upcoming capabilities for observing fast transients and pulsars, and briefly present recent commissioning observations of known pulsars.

研究の動機と目的

• ミリ秒スケールの時間分解能を活かした、特にパルサーおよび高速電波トランジエンスを対象とした、瞬間的電波全天の監視にLOFARを強力な観測機器として確立すること。
• ソフトウェア駆動のインターフェロメトリックビームフォーミングにより、感度と広視野を併せ持つことで、従来の電波望遠鏡の限界を克服すること。
• 既知のパルサーをテストソースとして用いて、LOFARのパルサーおよびトランジエンス検出モードの稼働確認と検証を行うこと。
• 低帯域および高帯域アンテナを用いた、分散単一パルスおよび長時間追尾観測の検出可能性を実証すること。
• 今後の全天空調査において、希少で微弱なトランジエンス源（回転電波トランジエンスや新たな源クラスの可能性を含む）を発見可能にするための基盤を提供すること。

提案手法

• LOFARは、低帯域アンテナ（30–80 MHz）と高帯域アンテナ（100–240 MHz）の2つのアレイから構成され、各アレイは位相整合されたデュポールアンテナからなる複数の感度の高いビームを形成する。
• 一貫性のあるビームフォーミングにより、リアルタイムでビーム形成された時系列データが生成され、短時間スケール現象のパルサー様分析が可能になる。
• データはオフラインで分散除去およびフォールディング処理を施し、既知のパルサーからの分散単一パルスを検出する。
• コherently結合された複数のHBAタイルの信号をコアサイトで加算することで、単一ステーションのビームを上回る感度を持つタイドアレイビームが形成される。
• 感度、視野、時間分解能の最適化のため、$ A^{2}_{\text{eff}} \frac{\Omega}{\Delta\Omega} \frac{T}{\Delta T} $ に比例する性能指標（FoM）が採用されている。
• 観測モードには、単一ステーション、スーパーステーション、一貫性加算構成が含まれ、それぞれ異なるトランジエンスパrameter空間に最適化されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LOFARは、高速トランジエンスおよびパルサーの検出を目的とした、低周波数電波全天の高時間分解能モニタリングを達成できるか？
• RQ2 特にサブ秒スケールで、LOFARの感度および視野は、従来の電波望遠鏡と比較して、トランジエンス検出においてどのように優れているか？
• RQ3 LOFARのビーム形成データモードは、既知のパルサーからの分散単一パルス検出において、どの程度の性能を示すか？
• RQ4 LOFARの広視野および高感度は、希少なトランジエンスイベントの全天空調査をどの程度可能にするか？
• RQ5 低周波数における散乱および分散などの伝搬効果が、LOFARデータにおける高速トランジエンスの検出にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 初期稼働観測において、PSRs B0329+54、B1133+16、B1919+21、B0809+74の明るいパルサーからの統合放射が正常に検出された。
• PSR B0329+54からの分散単一パルスのブラインド検出に成功し、短時間スケールで分散するバースト信号への感度が確認された。
• ステーションレベルのビーム形成信号を用いた複数時間にわたる追尾観測が実施され、継続的モニタリング能力が実証された。
• 4つのHBAタイルの信号を一貫性的に加算することで、感度が向上したタイドアレイビームが形成され、将来的なコアステーションの性能を模擬した。
• LOFARコアの集光面積は、現在の4タイルテストセットの200倍になると予想され、北半球に存在する既知パルサーのおよそ50％の高SNR単一パルス検出が可能になる。
• 低帯域は惑星などの特定の源に有用であるが、高帯域モード（100–240 MHz）は、散乱およびRFI効果が小さいため、大多数のパルサー観測に好適である。