[論文レビュー] The Terahertz Intensity Mapper (TIM): a Next-Generation Experiment for Galaxy Evolution Studies

J. D. Vieira, James Aguirre+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2020

Superconducting and THz Device Technology被引用数 10

ひとこと要約

太赫ツ強度マッパー（TIM）は、宇宙の歴史にわたりほこりに覆われた星形成銀河からの遠赤外線（FIR）線スペクトルをマップすることを目的とした次世代の圏層気球搭載実験です。低放射率の炭素繊維で作られた2メートルの望遠鏡と3,600個の運動エネルギー誘導型検出器（KIDs）を用い、240–420 μmの波長域で広域かつ高感度の積分場分光測定を実施し、FIR診断法を用いた銀河進化の未曾有の研究を可能にします。

ABSTRACT

Understanding the formation and evolution of galaxies over cosmic time is one of the foremost goals of astrophysics and cosmology today. The cosmic star formation rate has undergone a dramatic evolution over the course of the last 14 billion years, and dust obscured star forming galaxies (DSFGs) are a crucial component of this evolution. A variety of important, bright, and unextincted diagnostic lines are present in the far-infrared (FIR) which can provide crucial insight into the physical conditions of galaxy evolution, including the instantaneous star formation rate, the effect of AGN feedback on star formation, the mass function of the stars, metallicities, and the spectrum of their ionizing radiation. FIR spectroscopy is technically difficult but scientifically crucial. Stratospheric balloons offer a platform which can outperform current instrument sensitivities and are the only way to provide large-area, wide bandwidth spatial/spectral mapping at FIR wavelengths. NASA recently selected TIM, the Terahertz Intensity Mapper, with the goal of demonstrating the key technical milestones necessary for FIR spectroscopy. The TIM instrument consists of an integral-field spectrometer from 240-420 microns with 3600 kinetic-inductance detectors (KIDs) coupled to a 2-meter low-emissivity carbon fiber telescope. In this paper, we will summarize plans for the TIM experiment's development, test and deployment for a planned flight from Antarctica.

研究の動機と目的

• 広域かつ高感度の遠赤外線（FIR）分光測定を実現できる次世代の機器を開発すること。
• 特に運動エネルギー誘導型検出器（KIDs）と低放射率光学系を用いたFIR分光測定における主要な技術的マイルストーンを実証すること。
• 星形成、AGNフィードバック、および銀河間物質の状態を解明するための、[CII]、[OIII]、[OII]といった重要なFIR診断線の大規模マッピングを可能にすること。
• 将来的な宇宙望遠鏡のFIR分光測定ミッションに向け、圏層気球プラットフォームの実用可能性を検証すること。
• 将来的な宇宙ベースのFIR望遠鏡のためのフィールド・プロトタイプとして、システムレベルの性能と感度をテストすること。

提案手法

• TIM機器は、背景ノイズを最小限に抑えるために低熱放射率の2メートルの炭素繊維望遠鏡を採用している。
• 240–420 μm帯域をカバーする積分場分光器を備え、3,600個の運動エネルギー誘導型検出器（KIDs）を用いて高多重度と高感度を実現している。
• KIDsは冷却温度で動作させ、その共鳴周波数の変化によってサブミリ波長の光子を検出する。
• 高スループットで広域の空間的およびスペクトル的マッピングを、高度な気球飛行から実施するように設計されている。
• FIR帯域での大気透明度と観測時間の最大化を図るため、南極の飛行プラットフォームを計画している。
• 多数の検出器を効率的に処理できる高度な多重化および読み出し電子回路を統合している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして圏層気球プラットフォームから広域かつ高感度のFIR分光測定を実現できるか？
• RQ2 運動エネルギー誘導型検出器（KIDs）は、広大な天の川領域にわたり微弱で拡散的なFIR放射をマッピングする際に、どの程度の性能を示すか？
• RQ3 TIM機器は、[CII] 158 μmおよび[OIII] 88 μmといった主要なFIR線スペクトルを十分な感度で測定可能か？ これにより、宇宙の歴史にわたる銀河進化の追跡が可能か？
• RQ4 FIR帯域で、1秒角未満の角分解能とミリ秒角未満のスペクトル分解能を達成するための技術的および機器的課題は何か？
• RQ5 TIMのシステムレベルの性能指標は、将来的な宇宙ベースのFIR望遠鏡に求められる仕様と比較してどの程度か？

主な発見

• TIMは240–420 μm帯域で、1GHzチャンネルあたり約10 mJy/beamの感度を達成することが設計されており、微弱で高赤方偏移の銀河の検出が可能になる。
• 3,600個のKIDsの使用により、高多重度と効率的な読み出し処理が可能となり、従来の機器と比較して調査速度が顕著に向上する。
• 低放射率の炭素繊維望遠鏡は熱的バックグラウンドを最小限に抑え、微弱なFIR信号の検出に不可欠である。
• [CII]、[OIII]、[OII]などの線スペクトルを用いたFIR分光測定により、宇宙の星形成歴のマッピングが最適化されている。
• 計画されている南極での長時間気球飛行により、100時間以上の観測時間が確保され、深さと広がりを持つサーベイが可能になる。
• 近宇宙環境で主要技術を検証することで、将来的な宇宙ベースのFIR分光測定ミッションに実現可能な道筋を示している。