[论文解读] A Next Generation Low Band Observatory: A Community Study Exploring Low Frequency Options for ngVLA

Greg Taylor, Jayce Dowell+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2017

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出下一代低波段望远镜（ngLOBO），作为ngVLA的低频补充，通过孔径阵列（ngLOBO-Low）在150 MHz以下运行，通过主焦点馈电（ngLOBO-High）在150 MHz以上运行，以共用模式工作。该系统可实现连续的天空瞬变源巡天，提升ngVLA的校准与成像能力，并以极低成本和最小干扰支持独立的天体物理、地球科学与空间天气研究。

ABSTRACT

We present a community study exploring the low frequency (5 - 800 MHz) options and opportunities for the ngVLA project and its infrastructure. We describe a Next Generation LOw Band Observatory (ngLOBO) that will provide access to the low frequency sky in a commensal fashion, operating independently from the ngVLA, but leveraging common infrastructure. This approach provides continuous coverage through an aperture array (called ngLOBO-Low) below 150 MHz and by accessing the primary focus of the ngVLA antennas (called ngLOBO-High) above 150 MHz. ngLOBO preconditions include a) non-interference and b) low relative cost (<5%) with respect to ngVLA. ngLOBO has three primary scientific missions: (1) Radio Large Synoptic Survey Telescope (Radio-LSST): one naturally wide beam, commensal with ngVLA, will conduct a continuous synoptic survey of large swaths of the sky for both slow and fast transients; (2) This same commensal beam will provide complementary low frequency images of all ngVLA targets and their environment {\it when such data enhances their value}. (3) Independent beams from the ngLOBO-Low aperture array will conduct research in astrophysics, Earth science and space weather applications, engaging new communities and attracting independent resources. If ngVLA operates down to 2 GHz or lower, ngLOBO data will enhance ngVLA calibration and dynamic scheduling. Finally, non-variable field sources outside the ngVLA field of view can be harvested for serendipitous science, e.g. population studies for thermal and non-thermal continuum sources. The ngVLA will be a superb, high frequency instrument; ngLOBO will allow it to participate in the worldwide renaissance in low frequency science as well.

研究动机与目标

• 通过社区主导的研究，探索下一代甚长基基线干涉仪（ngVLA）的低频科学机遇。
• 设计一种成本效益高、不干扰的低频设施（ngLOBO），利用ngVLA基础设施。
• 通过共用观测模式，实现对慢速和快速射电暂现源的连续、大范围天空巡天。
• 通过专用孔径阵列（ngLOBO-Low）支持独立的天体物理与地球科学研究。
• 通过低频数据增强ngVLA的校准与动态调度，尤其在ngVLA工作至2 GHz时。

提出的方法

• 将ngLOBO设计为两部分系统：ngLOBO-Low（150 MHz以下的孔径阵列）和ngLOBO-High（150 MHz以上的主焦点接收器）。
• 采用共用观测模式，在ngVLA执行主要观测的同时对天空进行巡天，最大限度减少额外基础设施成本。
• 借鉴LWA和VLITE项目的经验，指导ngLOBO-Low与ngLOBO-High的选址、供电、光纤与自动化设计。
• 采用宽带相关器系统，带宽为100 kHz，用于全天空成像；带宽为20 MHz，用于暂现源探测。
• 采用表2中的灵敏度估算，并假设在700–1000 MHz频段灵敏度提高1.5倍，在>1000 MHz频段提高2倍。
• 使用红移相关的光度距离计算（Wright 2006），估算HI 21cm吸收线与OH巨脉泽线的探测极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将专用低波段望远镜与ngVLA集成，能够解锁哪些低频科学机遇？
• RQ2 如何通过共用观测模式在最小化成本与干扰的同时最大化科学产出？
• RQ3 利用ngLOBO-High的宽频带覆盖，高红移HI 21cm吸收线与OH巨脉泽的探测极限是什么？
• RQ4 ngLOBO-Low能否支持空间天气、电离层科学与暂现现象的独立研究？
• RQ5 ngLOBO如何通过低频数据增强ngVLA的校准与动态调度？

主要发现

• 在z < 4红移下，ngLOBO可在1小时内以5σ检测到光学深度为1%的21cm吸收线，背景源为0.75 Jy beam⁻¹；在z > 4时，背景源为1 Jy beam⁻¹。
• 在1小时积分时间内，ngLOBO可探测到红移z < 0.25时的OH巨脉泽，其光度≥10³ L⊙；z = 0.75时≥10⁴ L⊙；z = 2.5时≥10⁵ L⊙。
• 在z = 4.5时，光度L ≥ 10⁵ L⊙的OH巨脉泽可在约10小时内被探测到，每年覆盖约1500平方度，积分深度为1小时。
• 该系统可实现对21cm吸收线的无偏盲巡天，为中性气体演化提供独特约束。
• ngLOBO-High的宽瞬时带宽可实现ngVLA视场内全视线谱线搜索，排除受RFI影响的区域。
• 在z < 0.15红移下，ngLOBO可在5小时内以5σ检测到M_HI ~ 1×10¹⁰ M⊙的星系，更长积分时间可探测更高红移或更低质量极限。