[论文解读] The Science Cases for Building a Band 1 Receiver Suite for ALMA

James Di Francesco, Doug Johnstone+35 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2013

Superconducting and THz Device Technology参考文献 9被引用 17

一句话总结

本文主张开发覆盖35–52 GHz的ALMA波段1接收器套件，以实现对关键天体物理现象的高灵敏度、高分辨率亚毫米波观测。研究表明，ALMA在更高频段和更宽视场下相较于JVLA具有显著更高的灵敏度和角分辨率，将显著提升对原行星盘尘粒演化及红移z > 6星系中CO谱线发射的研究能力，使CO谱线可观测宇宙体积扩大8倍。

ABSTRACT

We present the various science cases for building Band 1 receivers as part of ALMA's ongoing Development Program. We describe the new frequency range for Band 1 of 35-52 GHz, a range chosen to maximize the receiver suite's scientific impact. We first describe two key science drivers: 1) the evolution of grains in protoplanetary disks and debris disks, and 2) molecular gas in galaxies during the era of re-ionization. Studies of these topics with Band 1 receivers will significantly expand ALMA's Level 1 Science Goals. In addition, we describe a host of other exciting continuum and line science cases that require ALMA's high sensitivity and angular resolution. For example, ALMA Band 1 continuum data will probe the Sunyaev-Zel'dovich Effect in galaxy clusters, Very Small Grains and spinning dust, ionized jets from young stars, spatial and flaring studies of Sgr A*, the acceleration sites of solar flares, pulsar wind nebulae, radio supernovae, and X-ray binaries. Furthermore, ALMA Band 1 line data will probe chemical differentiation in cloud cores, complex carbon chain molecules, extragalactic radio recombination lines, masers, magnetic fields through Zeeman effect measurements, molecular outflows from young stars, the co-evolution of star formation and active galactic nuclei, and the molecular content of galaxies at z ~ 3. ALMA provides similar to better sensitivities than the JVLA over 35-50 GHz, with differences increasing with frequency. ALMA's smaller antennas and shorter baselines, greater number of baselines, and single-dish capabilities, however, give it a significant edge for observing extended emission, making wide-field maps (mosaics), or attaining high image fidelity, as required by the described science cases.

研究动机与目标

• 为建设覆盖35–52 GHz的ALMA波段1接收器套件提供依据，作为提升ALMA科学能力的关键改进。
• 解决南半球缺乏低频亚毫米波观测机会的问题，特别是针对JVLA难以观测的源。
• 实现对原行星盘和高红移星系的高灵敏度、高保真度连续谱和谱线观测。
• 扩展ALMA能力，探测再电离时期（6 < z < 10）类似银河系的星系中CO J=3–2发射，这是ALMA一级科学目标的关键内容。
• 在35 GHz（9 mm）提供补充连续谱数据，以研究盘中尘粒演化，增强对行星形成过程的理解。

提出的方法

• 提出在35–52 GHz频段运行的接收器套件，标称范围为35–50 GHz，以优化科学产出。
• 对比ALMA与JVLA在40–50 GHz频段的灵敏度和角分辨率，显示ALMA在更高频段灵敏度可提升约2倍。
• 利用ALMA更大的瞬时基线数量，生成比JVLA更高保真度的图像，尤其在高频段表现更优。
• 利用ALMA更小的天线（必要时结合ACA）恢复更多延展发射，提升对延展源的动态范围。
• 依赖ALMA现有的干涉阵列与校准系统，实现新波段1接收器的集成，对运行干扰最小。
• 强调ALMA具备访问50–52 GHz频段的独特能力，该频段对JVLA不可及，可实现对关键谱线的观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合气体动力学时，ALMA波段1接收器套件如何提升对原行星盘尘粒演化研究？
• RQ2 利用ALMA波段1接收器探测红移z > 6星系中CO J=3–2发射的科学影响是什么？
• RQ3 ALMA在40–50 GHz频段的灵敏度与角分辨率与JVLA相比如何？这对观测高红移分子气体有何影响？
• RQ4 ALMA波段1覆盖范围在多大程度上能提升对红移z ≈ 1.5–2.0的BzK星系中分子气体质量与激发条件的测量？
• RQ5 ALMA波段1接收器的引入将使CO谱线发射的可观测宇宙体积扩大多少，特别是对低-J跃迁而言？

主要发现

• ALMA在40–50 GHz频段的灵敏度比JVLA高出约2倍，尤其在波段1高频范围内更为显著。
• ALMA更大的主波束使其在更宽视场内实现高灵敏度观测，优于JVLA，显著提升巡天效率。
• ALMA在相同频段内拥有更多瞬时基线，图像保真度显著高于JVLA。
• 波段1接收器套件将使ALMA能够探测到红移z > 6星系中CO J=3–2发射，这是理解再电离时期的关键目标。
• 增加波段1将使CO谱线发射的可观测宇宙体积扩大8倍，尤其对低-J跃迁而言。
• ALMA能够观测50–52 GHz频段，该频段对JVLA不可及，从而实现对南天源分子气体与尘埃发射的独特研究。