[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出建设大型亚毫米波望远镜（LST），这是一台50米单镜面望远镜，专为70–420 GHz频段的广域亚毫米波成像与光谱观测而优化，通过主动表面实现精确校正，可将能力扩展至1 THz。该望远镜可通过CO和[CII]线映射实现对高红移宇宙的深度三维巡天，与ALMA互补，并通过与多波段巡天的协同，支持时域科学。

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.

研究动机与目标

• 设计下一代50米单镜面亚毫米波望远镜，以扩展ALMA在高空间分辨率但窄视场方面的覆盖范围。
• 在70–420 GHz频段实现广域、深度成像与光谱巡天，潜在扩展至1 THz，以研究宇宙中的恒星形成与大尺度结构。
• 开发具备主动表面控制的望远镜，以校正重力、热力与风致形变，确保在大视场范围内保持高表面精度。
• 通过探测伽马射线暴反向激波与引力波对应体等瞬变现象，支持时域科学。
• 与ALMA及其他未来天文台（如LSST、Euclid、SPICA）建立协同，推动多波段、多信使天体物理学的发展。

提出的方法

• LST采用主动表面系统，通过促动器实时校正镜面形状，以在重力、温度与风载作用下保持表面精度。
• 望远镜设计为在70–420 GHz频段实现全孔径照明，具有50米口径与1.0°圆形视场，适用于广域巡天。
• 提出使用TES或MKID热释电探测器的多波段、多色广域相机，覆盖150–350 GHz（3–6个波段），在350/670 GHz时最多可达881个像素。
• 在100、230、350与490 GHz频段提出高分辨率外差阵列接收机，光谱分辨率R > 300,000，用于线谱巡天与瞬变源后续观测。
• 提出Super-DESHIMA仪器，具有100–300个空间像素与190–420 GHz带宽，用于CO与[CII]线的中等分辨率、多像素光谱学。
• 提出在射频域对SIS混频器进行复用，以突破当前约10 GHz的瞬时中频带宽限制，实现更宽的光谱覆盖。

实验结果

研究问题

• RQ1 50米单镜面望远镜如何在亚毫米波段实现广域、高灵敏度的成像与光谱观测？
• RQ2 针对大口径望远镜中由热力、重力与风致形变引起的偏差，主动表面系统的最优设计是什么？
• RQ3 LST如何利用CO与[CII]发射线实现对高红移宇宙的三维层析成像？
• RQ4 需要何种仪器配置才能探测红移z > 6的伽马射线暴反向激波等亚毫米波瞬变现象？
• RQ5 LST如何与ALMA及其他未来空间望远镜协同，推动多波段与多信使天体物理学的发展？

主要发现

• LST设计采用50米口径与1.0°视场，可在70–420 GHz频段实现广域巡天，通过内层高精度表面潜在扩展至1200 GHz。
• 主动表面控制对校正重力、温度与风致形变至关重要，可确保全频段内亚角秒级空间分辨率。
• 所提出的Super-DESHIMA仪器可在190–420 GHz频段提供100–300个空间像素，支持CO/[CII]层析成像的中等分辨率光谱学。
• 基于现有ASTE与NIKA2项目的发展，可实现覆盖最多881个像素的多色TES或MKID相机，工作在350/670 GHz频段。
• 提出采用R > 300,000的外差阵列与SIS混频器的射频域复用技术，以实现超宽带、高分辨率线谱巡天。
• LST有望探测并表征高红移尘埃星暴、瞬变现象以及通过Sunyaev-Zel’dovich效应观测的星系团演化，与ALMA及未来空间任务形成互补。