[論文レビュー] Towards millimeter VLBI

T. P. Krichbaum, U. Bach+7 more|ArXiv.org|Dec 22, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1.3 mmおよび0.8 mmの波長で活動銀河核（AGN）および超大質量ブラックホール環境のマイクロアーセコン解決能を達成するため、ミリメートル波長の非常に長基線干渉計測定（mm-VLBI）を発展させた。IRAM、APEX、ALMAなどのアップグレードされた電波望遠鏡を活用し、データレートを4 Gbit/sまで向上させることで、100–200 mJy以上の電波流量密度を持つコンパクトな電波源を検出可能となり、Sgr A*周辺の中心エンジン領域およびAGNジェットの高ダイナミックレンジイメージングが可能になった。

ABSTRACT

We discuss the present performance and the future perspectives of VLBI in the 3 mm to 0.85 mm observing bands (so called mm-VLBI). The availability of new telescopes and the recent technical development towards larger observing bandwidth and higher data-rates now allow to image with 3mm-VLBI hundreds of sources with high dynamic range. As an example we show new images of the jets of Cygnus A. At 1.3 mm, pilot VLBI studies have proven detectability of the brightest AGN, and the existence of ultra-compact regions therein. In the next few years global VLBI imaging will be established also at 1.3 mm and 0.85 mm wavelength. With an angular resolution in the 10-20 micro-arcsecond range, future 1.3 mm- and 0.8 mm VLBI will be an extraordinarily powerful astronomical observing method, allowing to image the enigmatic `central engines' and the foot-points of AGN-jets in greater detail than ever possible before. A sufficiently large number of telescopes is a prerequisite for global aperture synthesis imaging. Therefore a strong effort is needed to make more telescopes available for VLBI at short millimeter and sub-millimeter wavelengths. In this context, the further VLBI upgrade of both IRAM telescopes and the outfit of the APEX telescope in Chile, in preparation for later mm-/sub-mm VLBI with ALMA, is of high scientific importance. With a sufficiently large mm-VLBI network, the micro-arcsecond scale imaging of the post-Newtonian emission zone around the event horizon/ergosphere of nearby super-massive Black Holes (such as e.g. Sgr A*, M87, ...) should become possible within the next few years.

研究の動機と目的

• 1.3 mmおよび0.8 mmの波長でグローバルなmm-VLBIイメージングを可能にし、AGNの中心エンジンおよびブラックホールジェットのフットポイントを解像すること。
• 観測帯域を拡大し、データ記録レートを4 Gbit/sまで向上させることで、mm-VLBIの感度とダイナミックレンジを向上させること。
• IRAM、APEX、ALMA、CARMAなどの主要な望遠鏡を統合することでmm-VLBI網を拡張し、基線カバレッジと感度を向上させること。
• Sgr A* や明るいAGNのようなコンパクトで高表面輝度を持つ電波源を検出可能な1 mm VLBIの実現可能性を実証すること。
• 今後数年以内に、超大質量ブラックホールのポストニュートン的領域（Sgr A* やM 87を含む）をマイクロアーセコン解像度でイメージングする基盤を築くこと。

提案手法

• IRAM 30 m、VLBAステーション、Pico Veletaを含む13台の電波望遠鏡を用いたグローバルmm-VLBIアレイ（GMVA）を活用し、86 GHzで3 mm-VLBI観測を実施した。
• データ記録レートを512 Mbit/sから4 Gbit/sに向上させることで、基線感度を約3倍向上させ、100–200 mJy以上の相関電波流量密度を持つ電波源の検出を可能にした。
• 高帯域幅デジタルバックエンドシステム（例：Mark5B）とHマーカス原子時計を用いて、長基線間の位相コherーを安定化させた。
• IRAM Pico Veletaおよびアリゾナ州のHHT（Herschel Telescope）に搭載された1.3 mm受信機を用いた大西洋横断および大陸横断VLBI実験を実施し、マウナケアでのファイバーリンクによるデータ取得を実現した。
• アンテナ合成イメージング技術を適用し、230 GHzおよび345 GHzでそれぞれ17–11 μasの角分解能を達成した。
• 高効率・低雑音受信機と低システム温度（Tsys ≤ 150 K）を活用し、特にチヤンナントリやマウナケアのような高高度地点での感度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の望遠鏡ネットワークを用いて、1.3 mm VLBIはSgr A*のような最もコンパクトなAGN構造を信頼性高く検出・イメージングできるか？
• RQ2 230 GHzで4 Gbit/sのデータ記録レートを用いたmm-VLBIにおいて、コンパクトな電波源の最小検出可能電波流量密度は何か？
• RQ3 観測帯域とデータレートを向上させることで、mm-VLBIにおける基線感度とダイナミックレンジはどのように向上するか？
• RQ4 APEX や ALMA のような大口径・高高度望遠鏡は、mm-VLBIの波長域をミリメートル波長より短い波長（サブミリメートル波長）まで拡張する上で果たす役割は何か？
• RQ5 今後数年以内に、グローバルなmm-VLBIネットワークは、超大質量ブラックホールのポストニュートン的領域（Sgr A* やM 87を含む）をマイクロアーセコン解像度でイメージングできるか？

主な発見

• GMVAは現実的な条件下で1時間あたり約1–3 mJyの感度を達成し、12時間の観測で300 mJyの電波源に対して高ダイナミックレンジイメージングが可能となった。
• 1.3 mmでは、IRAM Pico VeletaとHHTの間で干渉縞が検出され、SNRは約7に達し、6 Gλの基線で約34 μasの角分解能が達成された。
• 2007年の1.3 mm VLBI実験では、Sgr A*が検出され、源サイズの推定値が約37 μas（対応する半径は約3.7 Schwarzschild半径）であった。これは理論的モデルに挑戦する結果であった。
• データ記録レートを4 Gbit/sに向上させることで、以前の512 Mbit/sシステムと比較して基線感度が約3倍向上した。
• IRAM Pico Veleta–Plateau de Bure間の基線（0.9 Gλ）では、SNRが8–25に達し、今後のmm-VLBIに向けた高い感度と安定性を示した。
• ALMA 12 mアンテナのSEFDは129 Jyであり、4 Gbit/s記録とフェーズドアレイ運用を組み合わせることで、将来的なmm-VLBIにおいて極めて感度が高いことが示された。