[論文レビュー] Dual frequency 230/690 GHz interferometry at the Submillimeter Array

T. R. Hunter, John W. Barrett+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2005

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、サブミリ波電波望遠鏡（SMA）を用いて230/690 GHzの二重周波数干渉計測定を実施し、230 GHzのデータを位相リファレンスとして用いることで、690 GHzでのキャリブレーションと画像化を向上させた。690 GHzで初めてのサブアーカンセコンド解像度の画像が得られ、バンド間の位相相関は強く一致していた（R² > 0.95）。これにより、高周波数干渉計測定における位相転送の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

The Submillimeter Array (SMA), a collaboration between the Smithsonian Astrophysical Observatory and the Academica Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics of Taiwan, is an eight-element radio-interferometer designed to operate throughout the major atmospheric windows from about 180 to 900 GHz. In an effort to mitigate the effects of atmospheric instabilities which limit the phase coherence of the array especially in the higher frequency bands, the array was designed to allow simultaneous operation of a low frequency receiver (<350 GHz) with a high frequency receiver (>330 GHz). The overlap region of 330-350 GHz was included to facilitate dual polarization measurements in the frequency range considered to offer the highest sensitivity for continuum observations with the array. So far, the array is equipped with working SIS receivers covering the frequency ranges 176-256 GHz, 260-350 GHz, and 600-700 GHz, and single frequency operation has been routine in the lower two frequency bands for the past year. More recently, with the completion of IF hardware required to make full use of the SMA cross-correlator, dual receiver operation became possible. We have since made a number of Galactic and extra-galactic astronomical observations in dual-band mode with the hopes of using the 230 GHz receiver as a phase reference to enable improved interferometry in the 650 GHz band. We will present the current antenna and receiver performance, some of the first interferometric images in the 650 GHz receiver band, and our initial attempts at phase transfer.

研究の動機と目的

• 高周波数サブミリ波観測における大気の位相揺らぎを低減するため、230 GHzおよび690 GHzの同時二重周波数運用を可能にする。
• 230 GHz帯の位相解を690 GHz帯に転送することで、キャリブレーションと感度を向上させる位相リファレンシングの有効性を検証する。
• 低周波数受信機を高周波数干渉計画像化の位相リファレンスとして使用する可能性を実証する。
• 天体メーザー源および連続スペクトル源を用いて、広く分離された周波数帯間の位相関係の安定性とコherー二ティを検証する。

提案手法

• SMAの全アンテナに、230 GHzおよび690 GHzの二重SIS混合受信機を搭載し、それぞれ独立した局所発信周波数および中間周波数経路を備えた。
• 近場ホログラフィーおよびビーム測定を実施し、二つの受信システム間のサブアーキュセコンド以内のフィードアライメントを確認した。
• メーザー源および連続スペクトル源に対して、アンテナベースの位相解を230 GHz帯と690 GHz帯で線形回帰により比較した。
• 690 GHzデータに対して自己キャリブレーションを適用し、230 GHzデータからスケーリングした位相解を適用することで、位相転送の正確性をテストした。
• アパーチャ効率および表面精度（RMS < 22 μm）を測定し、高周波数でのアンテナ性能を確認した。
• yファクター法を用いて、全帯域における受信機システム温度およびIFパスバンド応答を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 230 GHz帯の位相解を690 GHz帯に信頼性高くスケーリングすることでキャリブレーションを改善できるか？
• RQ2 複数の基線およびアンテナを介して230 GHz帯と690 GHz帯の間の位相相関度はどの程度か？
• RQ3 二重周波数運用により、690 GHzで高精度な干渉計画像をサブアーキュセコンド解像度で得られるか？
• RQ4 二つの帯域間の位相コherー二ティに影響を及ぼす機器的課題は何か。それらはどのように軽減できるか？
• RQ5 230 GHzから690 GHzへの位相転送は、高周波数画像化における信号対雑音比をどの程度向上させるか？

主な発見

• 690 GHzで初めてのサブアーキュセコンド解像度（1''ビーム）の干渉計画像が成功裏に得られ、ピークfluxは10.5 Jy、rmsは39 mJy（SNR = 267）であった。
• 230 GHz帯と690 GHz帯の間の位相相関は、多数のアンテナで強く線形的関係を示した（R² > 0.95）。理論的期待値に近い勾配（例：SiOメーザーでは-2.90、Ceres連続スペクトルでは3.15）を示した。
• 230 GHzの自己キャリブレーション解を690 GHzにスケーリングして適用したことで、画像の忠実度が向上し、SNRは元の690 GHz自己キャリブレーションの267から193に改善された。
• アンテナ表面精度は22 μm RMS未満（最良：14 μm）に向上し、345 GHzで60%以上のアパーチャ効率を達成した。これにより690 GHz運用に適した性能が確認された。
• フィードアライメントは地上で5''以内に達成され、二重帯域観測時における230 GHzビームの主ビーム減衰損失は5%未満に抑えられた。
• アンテナ4に異常な位相挙動が観測されたが、5台のアンテナ全体での一貫性から、位相リファレンシングの実用性が裏付けられた。