[論文レビュー] Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) Science: Solar and stellar observations

Sven Wedemeyer, M. Bárta+36 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2024

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ひとこと要約

本論文は、チリのアタカマ砂漠に位置する50 mの単一電波望遠鏡、アタカマ大型開口サブミリ波テレスコープ（AtLAST）を提案し、太陽および恒星の高コマ速度・広帯域・偏光測定によるサブミリ波帯観測を可能にする。AtLASTの広帯域周波数カバレッジ（90–660 GHz）、マルチピクセル画像化、および高い時間分解能により、太陽のコア層の大気の3次元マッピングと、太陽活動サイクルおよび恒星の磁気活動の未曾有のモニタリングが可能になることが示された。

ABSTRACT

Observations at (sub-)millimeter wavelengths offer a complementary perspective on our Sun and other stars, offering significant insights into both the thermal and magnetic composition of their chromospheres. Despite the fundamental progress in (sub-)millimeter observations of the Sun, some important aspects require diagnostic capabilities that are not offered by existing observatories. In particular, simultaneous observations of the radiation continuum across an extended frequency range would facilitate the mapping of different layers and thus ultimately the 3D structure of the solar atmosphere. Mapping large regions on the Sun or even the whole solar disk at a very high temporal cadence would be crucial for systematically detecting and following the temporal evolution of flares, while synoptic observations, i.e., daily maps, over periods of years would provide an unprecedented view of the solar activity cycle in this wavelength regime. As our Sun is a fundamental reference for studying the atmospheres of active main sequence stars, observing the Sun and other stars with the same instrument would unlock the enormous diagnostic potential for understanding stellar activity and its impact on exoplanets. The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST), a single-dish telescope with 50\,m aperture proposed to be built in the Atacama desert in Chile, would be able to provide these observational capabilities. Equipped with a large number of detector elements for probing the radiation continuum across a wide frequency range, AtLAST would address a wide range of scientific topics including the thermal structure and heating of the solar chromosphere, flares and prominences, and the solar activity cycle. In this white paper, the key science cases and their technical requirements for AtLAST are discussed.

研究の動機と目的

• AtLASTが太陽および恒星のサブミリ波帯観測において持つ科学的潜在可能性を特定すること。
• 現在の観測施設の限界、特に動的な太陽現象の観測に不十分な周波数カバレッジ、時間的・空間的分解能の不足を是正すること。
• 最適な太陽および恒星科学を実現するための機器要件（広帯域カバレッジ、高コマ速度、偏光感度など）を定義すること。
• 広帯域周波数カバレッジを活用することで、AtLASTが太陽の大気層を同時に複数層にわたってマッピングできることを示すこと。
• 太陽活動サイクルの統合的モニタリングおよび恒星の磁気活動の研究に、AtLASTがどのように利用可能かを検討すること。

提案手法

• アタカマ砂漠に位置する50 mの単一電波望遠鏡として、太陽および恒星観測に最適化されたAtLASTを提案する。
• 高速のオンザフライ走査とマルチピクセル検出器を用いることで、短時間未満の高時間コマ速度と広範囲の空間カバレッジを実現する。
• 90 GHzから660 GHzまでの（準）同時広帯域周波数カバレッジを活用し、太陽大気における広範囲の高さ方向のマッピングを可能にする。
• サブミリ波放射を用いてコア層の磁気場を調べるため、完全な偏光能力を実装する。
• 太陽の極めて高い変動性、特にフレア時の信頼性の高い測定を確保するため、高いダイナミックレンジおよび輝度温度精度（≤100 K）を備えた検出器を用いる。
• ヘテロダインIFUシステムの利用を検討し、太陽サブミリ波スペクトルにおけるスペクトル線の検出を可能にする。

Figure 1: ALMA Total Power (TP) maps in Band 6 (230 GHz) obtained by double-circle scanning at two different times capturing a very quiescent state (left) and a more active state with clearly visible Active Regions including sunspots (right). (ALMA project IDs: 2017.1.00009.S, 2011.0.00020.SV.)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AtLASTは、広帯域かつ同時的なサブミリ波帯観測により、どのように太陽コア層の3次元マッピングを実現できるか？
• RQ2 複数年にわたる高コマ速度・全円盤太陽画像化を達成するために、どのような機器構成が必要か？
• RQ3 AtLASTは太陽のサブミリ波スペクトルにおけるスペクトル線を検出可能か？ その診断的価値は何か？
• RQ4 AtLASTの偏光能力は、コア層磁気場の理解をどのように向上させ得るか？
• RQ5 AtLASTは、太陽および恒星のサブミリ波帯科学を統合的に実現するプラットフォームとして、どの程度の役割を果たせるか？

主な発見

• AtLASTの広帯域周波数カバレッジ（90–660 GHz）により、太陽コア層の複数の大気層を同時にマッピングでき、3次元大気再構築に不可欠である。
• 高時間コマ速度で太陽円盤を効率的にカバーするには、大インスタント・フォーカス・オブ・ビューを有するマルチピクセル検出器が不可欠である。
• フレアやダイナミックなコア層構造といった、急速に変化する太陽現象を解像するには、短時間未満の高時間コマ速度が不可欠である。
• サブミリ波放射を用いたコア層磁気場の診断には、完全な偏光能力が不可欠である。
• 太陽の極めて高い明るさのため、フレア時における信頼性の高い測定を確保するには、高いダイナミックレンジおよび輝度温度精度100 K以下の検出器が必要である。
• 太陽サブミリ波スペクトルにおけるスペクトル線の検出は困難であるが、IFUベースのヘテロダインシステムを用いることで、診断的パワーを顕著に向上させ得る。

Figure 2: Evolution of a synthetic sub-mm and IR flare $T_{b}$ spectrum from RHD modelling (from Simões et al. 2017 ) . From these simulations, for $\lambda>50\mu$ m, $T_{b}$ should provide the electron temperature in the optically-thick upper chromosphere.