[論文レビュー] White Paper on East Asian Vision for mm/submm VLBI: Toward Black Hole Astrophysics down to Angular Resolution of 1~R$_{S}$

Keiichi Asada, Motoki Kino+36 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2017

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、ブラックホール天文学における1シュバルツシルト半径（R_S）に達する角分解能を実現するため、ミリ/サブミリ波長の超長基線干渉計測定（VLBI）の協働的東アジアビジョンを提示する。次世代の電波望遠鏡（グリーンランド望遠鏡（GLT）、位相同期されたALMA、および強化された地域アレイ）を統合することで、このイニシアチブは、高度な位相補正およびスパースモデリング画像化技術を用いて、ブラックホールの影の撮像、降着円盤の解像、ジェット形成の研究を目的としている。

ABSTRACT

This White Paper details the intentions and plans of the East Asian Very Long Baseline Interferometry (VLBI) community for pushing the frontiers of millimeter/submillimeter VLBI. To this end, we shall endeavor to actively promote coordinated efforts in the East Asia region. Our goal is to establish firm collaborations among the East Asia VLBI community in partnership with related institutes in North America and Europe and to expand existing global mm/submm VLBI arrays for (a) exploring the vicinity of black holes with an ultimate angular resolution down to 1~R$_{S}$ (Schwarzschild radius) and (b) investigating the dynamics of circumstellar gas in star-forming regions and late-type stars, and circumnuclear gas around active galactic nuclei (AGNs). In the first half of this White Paper, we highlight scientific accomplishments of the East Asia (EA) VLBI community. Various VLBI research results on M87, Sgr A*, blazars, narrow-line Seyfert~1 galaxies, and compact symmetric objects are described, and future visions of our VLBI science are briefly presented. Maser science of star formation, stellar evolution, and physics of accretion disks around AGNs are also discussed. A new vision for conducting multi-transition maser studies using mm/submm VLBI together with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is described. In the second half of this White Paper, we describe the EA community's vision for using mm/submm VLBI arrays in the framework or extended version of the Event Horizon Telescope (EHT) and the Global Millimeter VLBI Array (GMVA). The accomplishment of the aforementioned goal will maximize the overall scientific outcomes of mm/submm VLBI in the world.

研究の動機と目的

• Sgr A*およびM87におけるブラックホールの影撮像を実現するため、1 R_Sに達するサブミクロアーセコンド角分解能を達成する。
• 230–350 GHz帯での高周波数ミリ/サブミリ波長観測における大気の位相揺らぎを、位相周波数転送技術によって克服する。
• 東アジア新規ステーション（SRAO、GLT、KVN、小平）を統合することで、グローバルなミリ/サブミリ波長VLBIアレイを拡張し、基線の多様性とコherー二ティを向上させる。
• ドリフト限界を超える画像化技術としてのスパースモデリング技術を活用し、降着円盤およびジェット構造の画像化を進める。
• 複数波長のVLBIおよびALMAデータを統合し、活動銀河核（AGN）および星形成領域におけるメーザー線および核周辺ガスの運動を研究する。

提案手法

• 230–350 GHz帯での位相揺らぎの安定化とコherー二ティ時間の延長を実現するため、位相周波数転送を活用する。
• ドリフト限界を超える高ダイナミックレンジ画像を再構成するため、スパースモデリングに基づく画像化を実装する。
• 地上のミリ/サブミリ波長電波望遠鏡（例：JCMT、GLT）と位相同期ALMAを統合し、1 R_S未満の分解能を実現する超長基線を形成する。
• 韓国（SRAO）および日本（GLT）に新規のVLBI対応ステーションを設置し、基線カバレッジおよび感度を向上させる。
• 43–230 GHz帯でのEAVN、GMVA、EHTキャンペーンのデータを統合し、Sgr A*およびM87のコherーントなスケジューリング観測を可能にする。
• JCMT/SMAおよびALMAからのゼロスパッティングおよび重複基線を活用し、キャリブレーションを簡素化し、ダイナミックレンジを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ/サブミリ波長VLBIは、Sgr A*およびM87におけるブラックホールの影撮像に、1 R_Sに達する角分解能を達成できるか？
• RQ2 位相周波数転送のような位相補正技術は、高周波数ミリ/サブミリ波長VLBI観測におけるコherー二ティをどのように向上させるか？
• RQ3 スパースモデリング画像化技術は、降着円盤内の微細構造を再構成する際に、どの程度ドリフト限界を超えるか？
• RQ4 新規の東アジア電波望遠鏡（GLT、SRAO、KVN）は、ブラックホール撮像における基線ジオメトリとダイナミックレンジをどの程度向上させるか？
• RQ5 活動銀河核および星形成領域における複数遷移メーザー線が、ミリ/サブミリ波長VLBIと組み合わせられると、降着および噴出流のダイナミクスをどのように明らかにするか？

主な発見

• 日本で230 GHz帯での初のVLBI縞が正常に検出され、東アジアにおけるミリ/サブミリ波長VLBIの実用化が確認された。
• グリーンランド望遠鏡（GLT）は2017/2018年に稼働を開始し、サブミリ波長VLBIのための新たな長基線を実現した。
• 位相同期ALMAは2017年春以降、高感度・高分解能のVLBI画像化が可能であることが実証された。
• 位相周波数転送技術はコherー二ティ時間を顕著に延長し、安定した高周波数観測を可能にした。
• スパースモデリング画像化技術は、ドリフト限界を超える高ダイナミックレンジ画像を生成できることを実証した。
• 2017年に43 GHzのEAVNおよび230 GHzのEHTキャンペーンを協働して実施し、Sgr A*およびM87の高分解能画像を取得。ジェット構造および降着円盤のダイナミクスを明らかにした。