[论文解读] Science with an ngVLA: The ngVLA Science Case and Associated Science Requirements

E. J. Murphy, Alberto D. Bolatto+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

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一句话总结

本论文提出了 ngVLA 科学案例及五个关键科学目标（KSGs），并给出相关技术要求，以指导具备 1.2–116 GHz 覆盖、>10x VLA/ALMA 灵敏度以及北美基线的下一代射电干涉仪。

ABSTRACT

The science case and associated science requirements for a next-generation Very Large Array (ngVLA) are described, highlighting the five key science goals developed out of a community-driven vision of the highest scientific priorities in the next decade. Building on the superb cm observing conditions and existing infrastructure of the VLA site in the U.S. Southwest, the ngVLA is envisaged to be an interferometric array with more than 10 times the sensitivity and spatial resolution of the current VLA and ALMA, operating at frequencies spanning $\sim1.2 - 116$\,GHz with extended baselines reaching across North America. The ngVLA will be optimized for observations at wavelengths between the exquisite performance of ALMA at submm wavelengths, and the future SKA-1 at decimeter to meter wavelengths, thus lending itself to be highly complementary with these facilities. The ngVLA will be the only facility in the world that can tackle a broad range of outstanding scientific questions in modern astronomy by simultaneously delivering the capability to: (1) unveil the formation of Solar System analogues; (2) probe the initial conditions for planetary systems and life with astrochemistry; (3) characterize the assembly, structure, and evolution of galaxies from the first billion years to the present; (4) use pulsars in the Galactic center as fundamental tests of gravity; and (5) understand the formation and evolution of stellar and supermassive blackholes in the era of multi-messenger astronomy.

研究动机与目标

• 以超过 VLA 和 ALMA 的前所未有的灵敏度和分辨率，推动下一代射电/毫米波设施的发展。
• 定义五个关键科学目标（KSGs），以构成 ngVLA 科学计划的框架。
• 规定推动 ngVLA 参考设计的一般科学需求。
• 展示与其他设施的互补性以及多信使天文学时代的协同。
• 突出推动 ngVLA 任务与能力的社区驱动过程。

提出的方法

• 汇总并综合 NRAO 征集的社区科学案例（超过 80 个用例）。
• 基于科学重要性、ngVLA 的独特性以及跨设施协同，确立筛选 KSGs 的标准。
• 将 KSGs 转化为对灵敏度、分辨率、带宽和调查速度的定量要求，以指导 ngVLA 参考设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 ngVLA 必须解决的最具吸引力的 cm–mm 波段科学目标有哪些？
• RQ2 如何将 ngVLA 的能力合理塑造，以促进行星形成、星化学、星系演化、脉冲星引力测试和黑洞研究？
• RQ3 实现这五个 KSGs 所需的关键技术要求（灵敏度、分辨率、带宽、动态范围）有哪些？
• RQ4 ngVLA 应如何补充现有/计划中的设施并参与多信使天文学？
• RQ5 哪些流程能够确保社区就 ngVLA 的科学使命和仪器规格达成一致？

主要发现

• 对 ngVLA 的设想是提供大约比当前 VLA 和 ALMA 高出 10 倍的灵敏度和角分辨率。
• 频率覆盖范围大约为 1.2–116 GHz，瞬时带宽高达 20 GHz。
• 确定了五个关键科学目标，以推动参考设计和科学需求。
• 这些 KSGs 强调在多信使时代进行的行星形成、星化学、星系演化、银河系中心脉冲星引力测试，以及黑洞的形成/演化。
• ngVLA 设计优先考虑紧凑核心、穿越北美的扩展基线，以及广泛的宽带连续和谱学能力，以在时域、形态学和高分辨成像等多领域实现多样化科学。