[논문 리뷰] New 50-m-class single-dish telescope: Large Submillimeter Telescope (LST)

Ryohei Kawabe, Kotaro Kohno외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 24.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

논문은 70–420 GHz 대역에서 광역 밀리미터 및 서브밀리미터 영상 및 분광법을 최적화한 50미터 단일 반사면 망원경인 대형 서브밀리미터 망원경(LST)을 제안한다. 활성 표면을 통해 중력, 열, 바람에 의한 변형을 정밀하게 보정함으로써 최대 1 THz까지의 확장 기능을 갖추며, CO 및 [CII] 선 맵핑을 통한 고적색도 우주의 깊은 3차원 설문 조사가 가능하다. ALMA와 보완되며, 다중 파장 설문 조사와의 융합을 통해 시간 의존 과학을 지원한다.

ABSTRACT

We report on a plan to construct a 50-m-class single-dish telescope, the Large Submillimeter Telescope (LST). The conceptual design and key science behind the LST are presented, together with its tentative specifications. This telescope is optimized for wide-area imaging and spectroscopic surveys in the 70--420 GHz frequency range, which spans the main atmospheric windows at millimeter and submillimeter wavelengths for good observation sites such as the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) site in Chile. We also target observations at higher frequencies of up to 1 THz, using an inner high-precision surface. Active surface control is required in order to correct gravitational and thermal deformations of the surface, and will be useful for correction of the wind-load deformation. The LST will facilitate new discovery spaces such as wide-field imaging with both continuum and spectral lines, along with new developments for time-domain science. Through exploitation of its synergy with ALMA and other telescopes, the LST will contribute to research on a wide range of topics in the fields of astronomy and astrophysics, e.g., astrochemistry, star formation in our Galaxy and galaxies, the evolution of galaxy clusters via the Sunyaev-Zel'dovich effect, the search for transients such as $γ$-ray burst reverse shocks produced during the epoch of re-ionization, electromagnetic follow up of detected gravitational wave sources, and examination of general relativity in the vicinity of super massive black holes via submillimeter very-long-baseline interferometry.

연구 동기 및 목표

• ALMA의 고해상도이지만 좁은 시야 특성에 비해 천체 전체 영역과 스펙트럼 영역을 더 넓게 커버할 수 있도록 차세대 50m 단일 반사면 서브밀리미터 망원경을 설계하는 것.
• 70–420 GHz 대역에서 광역, 깊은 영상 및 분광 설문 조사를 가능하게 하며, 잠재적으로 1 THz까지 확장하여 우주의 별 형성과 대규모 구조를 연구하는 것.
• 중력, 열, 바람에 의한 변형을 보정하기 위해 활성 표면 제어 시스템을 갖춘 망원경을 개발하여 넓은 시야에서 고정밀 표면 정확도를 유지하는 것.
• 감마선 폭발 반전 충격파 및 중력파 후광과 같은 일시적 현상을 탐지함으로써 시간 의존 과학을 지원하는 것.
• ALMA 및 향후 천체망원경(예: LSST, Euclid, SPICA)과의 융합을 통해 다중 파장 및 다중 메신저 천체물리학을 발전시키는 것.

제안 방법

• 망원경은 실시간 형태 보정을 위한 액추에이터를 사용하는 활성 표면 시스템을 채택하여 중력, 열, 바람 하중에 의한 변형을 보정한다.
• 망원경은 70–420 GHz에서 전체 조명을 제공하도록 설계되었으며, 50미터 지름의 입구와 광역 설문 조사를 위한 1.0° 원형 시야를 갖춘다.
• TES 또는 MKID 볼로메터를 사용하는 다밴대, 다색광 광역 카메라가 제안되며, 150–350 GHz(3–6 밴드) 범위에서 최대 881픽셀(350/670 GHz에서)을 구현한다.
• 고해상도 하이터로다인 어레이 수신기가 100, 230, 350, 490 GHz에서 제안되며, 스펙트럼 해상도 R > 300,000으로 선 설문 조사 및 일시적 현상 후속 관측이 가능하다.
• CO 및 [CII] 선을 위한 중간 해상도, 다중 픽셀 분광법을 위해 100–300개의 공간 픽셀과 190–420 GHz 대역폭을 갖춘 슈퍼-DESHIMA 기구가 제안된다.
• SIS 믹서의 RF 도메인 멀티plexing을 통해 현재 약 10 GHz 한계를 초월하는 순간적 IF 대역폭을 확보함으로써 더 넓은 스펙트럼 커버리지를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50m 단일 반사면 망원경은 어떻게 서브밀리미터 대역에서 광역, 고감도 영상 및 분광법을 구현할 수 있는가?
• RQ2 대형 입구 망원경에서 열, 중력, 바람에 의한 변형을 보정하기 위한 최적의 활성 표면 시스템 설계는 무엇인가?
• RQ3 LST는 CO 및 [CII] 방출선을 이용해 고적색도 우주의 3차원 톰그래픽 맵핑을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 감마선 폭발 반전 충격파와 같은 서브밀리미터 일시적 현상을 탐지하기 위해 필요한 장비 구성은 무엇인가?
• RQ5 LST는 ALMA 및 향후 궤도 천체망원경과 어떻게 융합되어 다중 파장 및 다중 메신저 천체물리학을 발전시킬 수 있는가?

주요 결과

• LST는 50미터 지름의 입구와 1.0°의 시야를 갖추며, 70–420 GHz에서 광역 설문 조사가 가능하며, 내부 고정밀 표면을 통해 잠재적으로 1200 GHz까지 확장 가능하다.
• 중력, 온도, 바람에 의한 변형을 보정하기 위해 활성 표면 제어가 필수적이며, 이는 전체 대역에서 아크초 이내의 고해상도 공간 해상도를 유지하는 데 기여한다.
• 제안된 슈퍼-DESHIMA 기구는 190–420 GHz 대역에서 100–300개의 공간 픽셀을 제공하여 CO/[CII] 톰그래픽을 위한 중간 해상도 분광법을 가능하게 한다.
• TES 또는 MKID를 사용하는 다색광 카메라는 350/670 GHz에서 최대 881픽셀까지 실현 가능하며, 기존 ASTE 및 NIKA2 개발 경험이 기초가 된다.
• R > 300,000의 하이터로다인 어레이와 SIS 믹서의 RF 도메인 멀티plexing을 통해 초광대역, 고해상도 선 설문 조사가 가능하다.
• LST는 ALMA 및 향후 궤도 미션과 보완되어 고적색도 먼지성 별 형성 폭발, 일시적 현상, 클러스터 진화를 탐지하고 특성화할 것으로 기대된다.