[論文レビュー] The Science Cases for Building a Band 1 Receiver Suite for ALMA

James Di Francesco, Doug Johnstone+35 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2013

Superconducting and THz Device Technology参考文献 9被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、35–52 GHzの周波数帯域をカバーするALMAバンド1受信機スイートの開発を提唱し、主要な天体物理学的現象の高感度・高分解能のミリ波/サブミリ波観測を可能にする。ALMAがJVLAに比べて優れた感度と空間分解能を発揮すること、特に高周波数帯域および広い視野において、原始惑星系円盤内の微粒子の進化や、赤方偏移z > 6の銀河からのCO線放出の研究を顕著に向上させることを示している。CO線による観測可能な宇宙の体積は、8倍に拡大される。

ABSTRACT

We present the various science cases for building Band 1 receivers as part of ALMA's ongoing Development Program. We describe the new frequency range for Band 1 of 35-52 GHz, a range chosen to maximize the receiver suite's scientific impact. We first describe two key science drivers: 1) the evolution of grains in protoplanetary disks and debris disks, and 2) molecular gas in galaxies during the era of re-ionization. Studies of these topics with Band 1 receivers will significantly expand ALMA's Level 1 Science Goals. In addition, we describe a host of other exciting continuum and line science cases that require ALMA's high sensitivity and angular resolution. For example, ALMA Band 1 continuum data will probe the Sunyaev-Zel'dovich Effect in galaxy clusters, Very Small Grains and spinning dust, ionized jets from young stars, spatial and flaring studies of Sgr A*, the acceleration sites of solar flares, pulsar wind nebulae, radio supernovae, and X-ray binaries. Furthermore, ALMA Band 1 line data will probe chemical differentiation in cloud cores, complex carbon chain molecules, extragalactic radio recombination lines, masers, magnetic fields through Zeeman effect measurements, molecular outflows from young stars, the co-evolution of star formation and active galactic nuclei, and the molecular content of galaxies at z ~ 3. ALMA provides similar to better sensitivities than the JVLA over 35-50 GHz, with differences increasing with frequency. ALMA's smaller antennas and shorter baselines, greater number of baselines, and single-dish capabilities, however, give it a significant edge for observing extended emission, making wide-field maps (mosaics), or attaining high image fidelity, as required by the described science cases.

研究の動機と目的

• 35–52 GHzをカバーするALMAバンド1受信機スイートの建設を正当化し、ALMAの科学的能力を大幅に強化すること。
• 南半球から低周波ミリ波観測にアクセスできない現状を是正し、特にJVLAで十分に観測できない源への対応を図ること。
• 原始惑星系円盤および高赤方偏移銀河の高感度・高忠実度の連続スペクトルおよび線スペクトル観測を可能にすること。
• 再電離期（6 < z < 10）に、はくちゅう銀河に類似した銀河からのCO J=3–2線放出をALMAが検出可能とし、これはALMAのレベル1科学目標の重要な柱である。
• 9 mm（35 GHz）での補完的連続スペクトルデータを提供し、円盤内での微粒子進化を研究することで、惑星形成プロセスの理解を深めること。

提案手法

• 35–52 GHzの周波数帯域で動作する受信機スイートを提案し、科学的成果を最大化するための標準範囲は35–50 GHzとすること。
• 40–50 GHz帯におけるALMAとJVLAの感度および空間分解能を比較し、特に高周波数帯域でALMAが最大で約2倍の感度を達成できることを示している。
• 同じ周波数帯域で、ALMAの多数の同時基線数のおかげで、JVLAよりもはるかに高品質の画像が得られることを活用している。
• ALMAの小型アンテナ（必要に応じてACAを併用）により、より広がった放射を回復でき、広がった源のダイナミックレンジを向上させている。
• 既存のALMA干渉計およびキャリブレーションシステムを活用することで、新規バンド1受信機の統合に際し運用への影響を最小限に抑えている。
• ALMAが50–52 GHzを観測可能とし、JVLAでは到達できない周波数帯域を提供するという、独自の能力を強調している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALMAのバンド1受信機スイートをガス運動の解析と組み合わせることで、原始惑星系円盤内での微粒子進化の研究はどのように向上するか？
• RQ2 ALMAのバンド1受信機を用いて、赤方偏移z > 6の銀河からのCO J=3–2線放出を検出することの科学的インパクトは何か？
• RQ3 40–50 GHz帯におけるALMAの感度および空間分解能は、JVLAと比べてどの程度であり、高赤方偏移分子ガスの観測にどのような意味を持つのか？
• RQ4 ALMAのバンド1カバレッジが、赤方偏移z ≈ 1.5–2.0のBzK銀河における分子ガス質量および励起状態の測定をどの程度向上させるか？
• RQ5 バンド1受信機の導入により、特に低J遷移に対して、CO線による観測可能な宇宙の体積はどの程度拡大されるか？

主な発見

• ALMAの40–50 GHz帯における感度は、JVLAを最大で約2倍上回っており、バンド1範囲の高周波数帯域で顕著である。
• ALMAの大きな効果的ビームにより、JVLAよりも広い視野で高感度観測が可能となり、サーベイ効率が向上する。
• ALMAの多数の同時基線数のおかげで、同じ周波数帯域でJVLAよりもはるかに高い画像忠実度が達成される。
• バンド1受信機スイートにより、赤方偏移z > 6の銀河からのCO J=3–2線放出の検出が可能となり、再電離期の理解に不可欠なターゲットとなる。
• バンド1の追加により、特に低J遷移に対して、CO線による観測可能な宇宙の体積が8倍に拡大される。
• ALMAは50–52 GHzを観測可能とし、これはJVLAでは到達できない周波数帯域であり、南天の天体における分子ガスおよびダスト放射の独自の研究を可能にする。