[論文レビュー] New 50-m-class single-dish telescope: Large Submillimeter Telescope (LST)

Ryohei Kawabe, Kotaro Kohno+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Superconducting and THz Device Technology参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、70–420 GHz帯で広域のミリ波・サブミリ波イメージングおよび分光測定を最適化した50メートルの単一電波望遠鏡「Large Submillimeter Telescope (LST)」を提案する。さらに、重力・熱・風による変形を補正するアクティブ・サーフェスを用いて、1 THzまで拡張可能な能力を有する。COおよび[CII]線マッピングによる高赤方偏移宇宙の深さ3次元調査を可能とし、ALMAと補完的であり、多波長調査との連携によって時間領域科学にも貢献する。

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.

研究の動機と目的

• ALMAの高分解能ではあるが狭域な能力を超えて、天の川とスペクトルカバレッジを拡大する次世代の50メートル単一電波望遠鏡の設計を目的とする。
• 70–420 GHz帯で広域かつ深さのあるイメージングおよび分光測定調査を可能とし、必要に応じて1 THzまで拡張可能である。宇宙における星形成および大規模構造の研究を目的とする。
• 重力・熱・風による変形を補正するアクティブ・サーフェス制御を備えた望遠鏡を開発し、広い視野においても高い表面精度を維持することを目的とする。
• ガンマ線バーストの逆シャワーおよび重力波の対応天体などの一時的現象を検出することで、時間領域科学を支援することを目的とする。
• ALMAおよび将来的な観測施設（例：LSST、Euclid、SPICA）と連携し、多波長・多メッセンジャー天文学を推進することを目的とする。

提案手法

• LSTは、重力・熱・風の負荷下でも表面精度を維持するため、アクチュエータを用いたリアルタイム形状補正を行うアクティブ・サーフェスシステムを採用する。
• 望遠鏡は70–420 GHzでフルインフォケーションを実現し、50メートルの口径と1.0°の円形視野を有し、広域調査に適している。
• TESまたはMKIDボロメータを用いたマルチバンド・マルチクロイック広視野カメラを提案。150–350 GHz（3–6バンド）をカバーし、350/670 GHzで最大881ピクセルを実現。
• 100、230、350、490 GHzに高分解能変換器アレイ受信機を設置し、スペクトル分解能R > 300,000を達成。ライン調査および一時的現象の追跡に適する。
• COおよび[CII]ラインのための中分解能・マルチピクセル分光法を実現するため、100–300ピクセルの空間ピクセルと190–420 GHz帯域幅を持つスーパーデシュマ（Super-DESHIMA）を提案。
• SIS変換器のRFドメイン多重化を提案。これにより、現在の約10 GHzの制限を超えて、インスタント・IF帯域幅を拡大し、広帯域カバレッジを実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50メートルの単一電波望遠鏡は、どのようにサブミリ波帯域で広域かつ高感度のイメージングおよび分光測定を達成できるか？
• RQ2 大口径望遠鏡において、熱的・重力的・風による変形を補正するための最適なアクティブ・サーフェスシステムの設計は何か？
• RQ3 LSTはCOおよび[CII]線放出線を用いて、どのように高赤方偏移宇宙の3次元トモグラフィー的マッピングを実現できるか？
• RQ4 ガンマ線バーストの逆シャワー（z > 6）を検出するための、どのような機器構成が必要か？
• RQ5 LSTはALMAおよび将来的な宇宙望遠鏡とどのように連携し、多波長・多メッセンジャー天文学を推進できるか？

主な発見

• LSTは50メートルの口径と1.0°の視野を有し、70–420 GHzで広域調査が可能。必要に応じて内側の高精度サーフェスを用いて1200 GHzまで拡張可能である。
• 重力・温度・風による変形を補正するためのアクティブ・サーフェス制御が不可欠であり、帯域全域でサブアーセコンドの空間分解能を維持する。
• 提案されたスーパーデシュマ（Super-DESHIMA）機器により、190–420 GHz帯域で100–300ピクセルの空間ピクセルを実現し、CO/[CII]トモグラフィーのための中分解能分光測定が可能となる。
• TESまたはMKIDを用いたマルチクロイックカメラは、350/670 GHzで最大881ピクセルを実現可能であり、既存のASTEおよびNIKA2開発の延長として実現可能である。
• R > 300,000の高分解能変換器アレイとSIS変換器のRFドメイン多重化を提案。これにより、超広帯域・高分解能ライン調査が可能となる。
• LSTは、ALMAおよび将来的な宇宙ミッションと補完的に作用し、高赤方偏移のダストを含む星形成爆発天体、一時的現象、クラスタの進化（サニャエフ＝ゼルジオン効果を介して）を検出・特徴づけることが期待される。