[論文レビュー] A Next Generation Low Band Observatory: A Community Study Exploring Low Frequency Options for ngVLA

Greg Taylor, Jayce Dowell+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2017

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ngVLAの低周波数補完としての次世代LOボウ・オブザーバトリ（ngLOBO）を提案する。ngLOBO-Low（150 MHz未満）ではアパーチャアレイを、ngLOBO-High（150 MHz以上）ではプライマリフォーカス受信機を用い、共存観測により運用する。これにより、瞬発的変動天体の連続的天の川スカイサーベイ、ngVLAのキャリブレーションとイメージングの向上、低コストかつ最小限の干渉で独立した天体物理学、地球物理学、宇宙天気研究を可能にする。

ABSTRACT

We present a community study exploring the low frequency (5 - 800 MHz) options and opportunities for the ngVLA project and its infrastructure. We describe a Next Generation LOw Band Observatory (ngLOBO) that will provide access to the low frequency sky in a commensal fashion, operating independently from the ngVLA, but leveraging common infrastructure. This approach provides continuous coverage through an aperture array (called ngLOBO-Low) below 150 MHz and by accessing the primary focus of the ngVLA antennas (called ngLOBO-High) above 150 MHz. ngLOBO preconditions include a) non-interference and b) low relative cost (<5%) with respect to ngVLA. ngLOBO has three primary scientific missions: (1) Radio Large Synoptic Survey Telescope (Radio-LSST): one naturally wide beam, commensal with ngVLA, will conduct a continuous synoptic survey of large swaths of the sky for both slow and fast transients; (2) This same commensal beam will provide complementary low frequency images of all ngVLA targets and their environment {\it when such data enhances their value}. (3) Independent beams from the ngLOBO-Low aperture array will conduct research in astrophysics, Earth science and space weather applications, engaging new communities and attracting independent resources. If ngVLA operates down to 2 GHz or lower, ngLOBO data will enhance ngVLA calibration and dynamic scheduling. Finally, non-variable field sources outside the ngVLA field of view can be harvested for serendipitous science, e.g. population studies for thermal and non-thermal continuum sources. The ngVLA will be a superb, high frequency instrument; ngLOBO will allow it to participate in the worldwide renaissance in low frequency science as well.

研究の動機と目的

• 次世代非常大望遠鏡（ngVLA）の低周波数科学的機会を、コミュニティ主導の調査を通じて探求すること。
• ngVLAのインfra構造を活用する低コストで干渉のない低周波数施設（ngLOBO）を設計すること。
• 共存観測モードを用いて、ngVLAの主観測と同時に天の川全域をスキャンする連続的で広域の瞬発的変動天体サーベイを可能にすること。
• 専用のアパーチャアレイ（ngLOBO-Low）を介して、独立した天体物理学および地球物理学研究を支援すること。
• 特にngVLAが2 GHzまで運用する場合に、低周波数データによるngVLAのキャリブレーションとダイナミックスケジューリングの向上を図ること。

提案手法

• ngLOBOを二部構成のシステムとして設計：150 MHz未満ではアパーチャアレイ（ngLOBO-Low）、150 MHz以上ではプライマリフォーカス受信機（ngLOBO-High）。
• 共存観測を用い、ngVLAの主観測と同時に天の川をスキャンすることで、追加のインfraコストを最小限に抑える。
• LWAおよびVLITEプロジェクトの経験を活用し、ngLOBO-LowおよびngLOBO-Highのサイト選定、電力供給、ファイバー回線、自動化を支援する。
• 全天空イメージングに100 kHz帯域幅、瞬発的変動天体検出に20 MHzビーム幅を有する広帯域コherレータシステムを採用。
• 表2の感度推定値を用い、700–1000 MHzでは1.5倍、>1000 MHzでは2倍の感度向上を仮定。
• 赤方偏移に依存する距離計算（Wright 2006）を用い、HI 21cm吸収線およびOHメガマサー線の検出限界を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ngVLAに専用の低バンド観測所を統合することで、どのような低周波数科学的機会が開かれるか？
• RQ2 共存観測モードは、コストと干渉を最小限に抑えつつ、どのように科学的成果を最大化できるか？
• RQ3 ngLOBO-Highの広帯域周波数カバレッジを用いて、高赤方偏移のHI 21cm吸収線およびOHメガマサー線の検出限界は何か？
• RQ4 ngLOBO-Lowは、宇宙天気、電離圏物理学、および変動現象に関する独立した研究を支援できるか？
• RQ5 ngLOBOは、低周波数データを通じて、ngVLAのキャリブレーションとダイナミックスケジューリングをどのように向上させるか？

主な発見

• 1時間の積分で、z < 4の範囲では0.75 Jy beam⁻¹の源に対して、0.01の光学的厚さの21cm吸収線を5σで検出可能。z > 4では1 Jy beam⁻¹の源に対して検出可能。
• 1時間の積分で、z < 0.25では10³ L⊙以上の光度のOHメガマサー、z = 0.75では10⁴ L⊙以上、z = 2.5では10⁵ L⊙以上のOHメガマサーを検出可能。
• z = 4.5では、L ≥ 10⁵ L⊙のOHメガマサーが約10時間で検出可能で、1年間で1時間の深さで約1500平方度をカバー可能。
• 光学的バイアスなしの21cm吸収線のブラインドサーベイを可能とし、中性ガスの進化に関する独自の制約を提供。
• ngLOBO-Highの広帯域インスタントビンデュウにより、ngVLAの視野全域にわたるスペクトル線の全スライス検索が可能（RFI影響を受ける領域を除く）。
• z < 0.15では5時間の積分でM_HI ~ 1×10¹⁰ M⊙の銀河を5σで検出可能で、より深い積分により高赤方偏移または低質量限界が向上する。