[论文解读] CCAT-prime: Science with an Ultra-widefield Submillimeter Observatory at Cerro Chajnantor

G. J. Stacey, Manuel Aravena+38 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 56被引用 15

一句话总结

CCAT-prime 在智利的查南托尔山部署了一台超宽视场亚毫米波望远镜，旨在研究从再电离时期至今的恒星与星系形成、宇宙大尺度结构的演化、B模宇宙微波背景（CMB）偏振，以及星际介质。该望远镜利用 Prime-Cam（一种宽视场的bolometer成像仪/光谱仪）和 CHAI（一种多波束外差式光谱仪），借助高海拔站点的高表面精度与低系统发射率，实现 200–2000 µm 波段的深度、大范围巡天，预计于 2021 年初首次点亮。

ABSTRACT

We present the detailed science case, and brief descriptions of the telescope design, site, and first light instrument plans for a new ultra-wide field submillimeter observatory, CCAT-prime, that we are constructing at a 5600 m elevation site on Cerro Chajnantor in northern Chile. Our science goals are to study star and galaxy formation from the epoch of reionization to the present, investigate the growth of structure in the Universe, improve the precision of B-mode CMB measurements, and investigate the interstellar medium and star formation in the Galaxy and nearby galaxies through spectroscopic, polarimetric, and broadband surveys at wavelengths from 200 um to 2 mm. These goals are realized with our two first light instruments, a large field-of-view (FoV) bolometer-based imager called Prime-Cam (that has both camera and an imaging spectrometer modules), and a multi-beam submillimeter heterodyne spectrometer, CHAI. CCAT-prime will have very high surface accuracy and very low system emissivity, so that combined with its wide FoV at the unsurpassed CCAT site our telescope/instrumentation combination is ideally suited to pursue this science. The CCAT-prime telescope is being designed and built by Vertex Antennentechnik GmbH. We expect to achieve first light in the spring of 2021.

研究动机与目标

• 研究从再电离时期至今的宇宙时空中恒星与星系的形成与演化。
• 通过深度亚毫米波巡天探测宇宙大尺度结构的演化。
• 利用大范围、高灵敏度的观测，提高 B 模 CMB 测量的精度。
• 通过光谱、偏振与宽波段巡天，研究银河系及邻近星系中的星际介质与恒星形成。

提出的方法

• 在海拔 5600 米的查南托尔山站点部署一台 10 米口径望远镜，具备极高的表面精度与低系统发射率。
• 配备 Prime-Cam，一种基于 bolometer 的宽视场成像仪，包含相机与成像光谱仪模块。
• 集成 CHAI，一种多波束亚毫米波外差式光谱仪，用于高分辨率谱线巡天。
• 利用该站点卓越的大气透明度与低水汽含量，支持亚毫米波观测。
• 设计望远镜与仪器，实现 200–2000 µm 波段的高通量、大范围巡天。
• 于 2021 年春季实现首次点亮，重点开展深度、宽视场成像与光谱观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 从再电离时期至今，星系与恒星是如何形成与演化的？
• RQ2 暗物质与暗能量在由亚毫米波源追踪的宇宙大尺度结构演化中起到何种作用？
• RQ3 高灵敏度、大范围的亚毫米波巡天能否提高 B 模 CMB 测量的精度，从而探测原初引力波？
• RQ4 星际介质中的物理条件如何调控银河系及邻近星系中的恒星形成？

主要发现

• CCAT-prime 设计用于 2021 年春季实现首次点亮，标志着前所未有的灵敏度下宽视场亚毫米波巡天的开启。
• 望远镜的高表面精度与低系统发射率使其在亚毫米波窗口中实现最佳性能。
• Prime-Cam 提供大视场，并兼具成像与光谱能力，适用于深度巡天。
• CHAI 实现高分辨率、多波束谱线观测，对研究分子气体与恒星形成至关重要。
• 该天文台专为 200–2000 µm 波段的巡天而优化，旨在探测早期宇宙与现今宇宙的关键天体物理现象。
• 查南托尔山站点提供卓越的大气条件，显著降低大气消光，支持长时间积分。