[논문 리뷰] The CCAT-Prime Submillimeter Observatory

Manuel Aravena, Jason E. Austermann외 54명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 05.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 39인용 수 12

한 줄 요약

CCAT-Prime는 [CII] 선형도 맵핑, 은하단 수자예-젤도비치 효과, CMB 편광을 통해 간섭 구조를 맵핑하기 위해 설계된 6미터의 밀리미터파 망원경입니다. Prime-Cam을 탑재하여 에포크 재이온화기(z = 3.5–8.0)의 3차원 톰그래피를 가능하게 하고, 어두운 별 형성 은하의 집합 [CII] 방출을 측정하며, 높은 감도와 넓은 시야(최대 8°)를 갖춘 차세대 CMB 및 선형도 맵핑 설문 조사에 기여합니다.

ABSTRACT

The Cerro Chajnantor Atacama Telescope-prime (CCAT-prime) is a new 6-m, off-axis, low-emissivity, large field-of-view submillimeter telescope scheduled for first light in the last quarter of 2021. In summary, (a) CCAT-prime uniquely combines a large field-of-view (up to 8-deg), low emissivity telescope (< 2%) and excellent atmospheric transmission (5600-m site) to achieve unprecedented survey capability in the submillimeter. (b) Over five years, CCAT-prime first generation science will address the physics of star formation, galaxy evolution, and galaxy cluster formation; probe the re-ionization of the Universe; improve constraints on new particle species; and provide for improved removal of dust foregrounds to aid the search for primordial gravitational waves. (c) The Observatory is being built with non-federal funds (~ \$40M in private and international investments). Public funding is needed for instrumentation (~ \$8M) and operations (\$1-2M/yr). In return, the community will be able to participate in survey planning and gain access to curated data sets. (d) For second generation science, CCAT-prime will be uniquely positioned to contribute high-frequency capabilities to the next generation of CMB surveys in partnership with the CMB-S4 and/or the Simons Observatory projects or revolutionize wide-field, sub-millimetter line intensity mapping surveys.

연구 동기 및 목표

• 에포크 재이온화기(z = 3.5–8.0) 동안 별 형성 은하의 대규모 3차원 분포를 [CII] 158 μm 선형도 맵핑을 통해 맵핑하기 위해.
• 은하단 집단의 설문 조사를 통해 은하단 형성과 수자예-젤도비치 효과를 연구하기 위해.
• 높은 감도와 넓은 시야로 CMB 편광을 측정하여 초기 우주 중력파 및 새로운 입자 물리학에 대한 제약 조건을 개선하기 위해.
• ALMA, JWST, ngVLA와의 보완적 자료 제공을 위해 어두운, 분해되지 않은 은하들의 집합 신호를 캡처하기 위해.
• 비연방 정부 자금과 공공 기반 시설 지원을 통해 커뮤니티가 정제된 데이터에 접근하고 공동 설문 조사 기획에 참여할 수 있도록 지원하기 위해.

제안 방법

• 치레의 5600m 고도에 위치한 6미터 오프애크스, 저방출성(≤2%) 밀리미터파 망원경을 활용하여 높은 대기 투과율과 넓은 시야(최대 8°)를 확보합니다.
• 다양한 과학 모듈을 갖춘 광역 냉각 방출 카메라인 Prime-Cam을 사용하여 [CII], [OIII], CO 선을 동시에 관측할 수 있도록 합니다.
• COSMOS, CDFS, HERA-Dark, Stripe 82, GAMA 등 주요 유산 영역에서 8 deg² 영역에 걸쳐 깊이 있고 광역 설문 조사를 수행하며, [CII]의 감도는 220 GHz에서 0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹, 먼지 연속 스펙트럼의 감도는 860 GHz에서 2.5 mJy beam⁻¹입니다.
• 현장에서의 재조립 중 표면 정확도를 검증하기 위해 레이저 간섭계 측정 및 타워 혼합형 기법을 사용하여 마이크론 수준의 정렬 정밀도를 확보합니다.
• 운영 및 과학 운영을 위한 하향식 비용 모델을 적용하며, 데이터 정제, 커뮤니티 워크숍, 전체 천체물리학 커뮤니티의 데이터 접근을 포함합니다.
• CMB-S4 및 시몬스 관측소 프로젝트와 통합하여 2세대 과학 계획을 수립하며, 고주파수 능력을 활용해 차세대 CMB 및 선형도 맵핑 설문 조사를 지원합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에포크 재이온화기 동안 z = 3.5–8.0 범위에서 [CII] 선형도 맵핑을 통해 대규모 구조의 3차원 톰그래피는 어떻게 달성할 수 있을까요?
• RQ2 분해되지 않은 별 형성 은하의 집합 [CII] 방출 전력은 무엇이며, 이는 간섭 구조와 암흑 물질 변동을 어떻게 추적할 수 있을까요?
• RQ3 광역 밀리미터파 설문 조사를 통해 고적색도에서 은하단을 탐지하고 특성화할 수 있는 수자예-젤도비치 효과는 무엇인가요?
• RQ4 높은 감도의 CMB 편광 측정을 통해 초기 우주 중력파 및 새로운 입자 종류에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있을까요?
• RQ5 Prime-Cam의 다중 대역, 광역 능력은 ALMA 및 JWST와 같은 고해상도 시설이 희미하고 고적색도의 천체를 탐색하는 데 어떻게 보완이 될 수 있을까요?

주요 결과

• CCAT-Prime는 8 deg² 영역에서 2000시간의 관측으로 220 GHz에서 [CII] 선형도 맵핑에 대해 0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹의 감도를 확보할 것입니다.
• 장치는 860 GHz에서 먼지 연속 스펙트럼 방출에 대해 2.5 mJy beam⁻¹의 감도를 제공하여 먼지가 많은 별 형성 은하의 깊은 설문 조사를 가능하게 합니다.
• Prime-Cam은 158 μm에서 [CII], 88 μm에서 [OIII], 그리고 다양한 적색편이 범위에서 CO 선을 동시에 맵핑하여 고적색도 천체의 다중선 스펙트럼 측정을 가능하게 합니다.
• 관측소는 2021년 4분기 첫 빛을 비추며, 첫 빛 과학 설문 조사는 5년 동안 진행되고 총 수명은 10–20년으로 예상됩니다.
• Prime-Cam에 대한 연방 정부 자금 8M 달러와 연간 운영비 100만–200만 달러, 망원경 및 인프라에 대한 민간 및 국제 자금 4000만 달러가 기반 시설을 지원합니다.
• CCAT-Prime는 고주파수 밀리미터파 능력과 광역 선형도 맵핑 설문 조사를 가능하게 하여 CMB-S4 및 시몬스 관측소를 지원하는 데 있어 유일무이한 위치를 점유하고 있습니다.