[论文解读] Science with ASKAP - the Australian Square Kilometre Array Pathfinder

S. Johnston, R. Taylor+48 more|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 307被引用 250

一句话总结

本文概述了澳大利亚平方公里阵列探路者（ASKAP）的科学潜力，这是一台采用波束成形阵列馈电技术的宽视场射电望远镜，能够对厘米波和米波波段的天空开展深度、大范围的巡天观测。ASKAP旨在探测多达一百万个原子氢（HI）发射星系、六千万个同步辐射发射星系以及超过五十万个偏振源，从而在星系演化、宇宙磁学、暂现现象和脉冲星计时等领域实现突破，同时作为平方公里阵列（SKA）的先进技术预演。

ABSTRACT

[ABRIDGED VERSION] The future of cm and m-wave astronomy lies with the Square Kilometre Array (SKA), a telescope under development by a consortium of 17 countries. The SKA will be 50 times more sensitive than any existing radio facility. A majority of the key science for the SKA will be addressed through large-area imaging of the Universe at frequencies from 300 MHz to a few GHz. The Australian SKA Pathfinder (ASKAP) is aimed squarely in this frequency range, and achieves instantaneous wide-area imaging through the development and deployment of phase-array feed systems on parabolic reflectors. This large field-of-view makes ASKAP an unprecedented synoptic telescope poised to achieve substantial advances in SKA key science. The central core of ASKAP will be located at the Murchison Radio Observatory in inland Western Australia, one of the most radio-quiet locations on the Earth and one of the sites selected by the international community as a potential location for the SKA. Following an introductory description of ASKAP, this document contains 7 chapters describing specific science programmes for ASKAP. The combination of location, technological innovation and scientific program will ensure that ASKAP will be a world-leading radio astronomy facility, closely aligned with the scientific and technical direction of the SKA. A brief summary chapter emphasizes the point, and considers discovery space.

研究动机与目标

• 展示ASKAP作为平方公里阵列（SKA）探路者的科学能力，重点在于300 MHz至几个GHz频段的大范围、宽视场巡天。
• 通过高灵敏度、宽视场观测，解决星系形成与演化、磁场演化以及暂现射电天空本质等关键天体物理问题。
• 在西澳大利亚建立一个射电宁静站点，以供未来SKA运行之需，并为SKA中频系统原型化波束成形阵列馈电技术。
• 探测并表征一百万个HI发射星系、六千万个同步辐射发射星系以及超过五十万个偏振源，以绘制宇宙演化和磁场随时间的变化。
• 发现并精确测量约一千个新射电脉冲星，同时监测暂现和变星射电源，包括伽马射线暴余晖和日内变星源，以探索高能现象。

提出的方法

• 在抛物面反射面上应用波束成形阵列馈电系统，实现高达30平方度的瞬时视场，从而实现快速、大范围的天空巡天。
• 在300 MHz至几个GHz频段内开展深度、大范围的连续谱和谱线巡天，重点探测星系的HI 21 cm发射线和同步辐射。
• 实施高动态范围成像和高时间分辨率处理，以在秒至月的时标上探测暂现和变星源。
• 利用甚长基线干涉测量（VLBI）网络进行综合孔径干涉成像，实现高角分辨率，以精确定位源并开展后续观测。
• 应用偏振测量技术，测量全天范围的旋转量，从而实现对星系和星际介质中磁场的映射。
• 集成实时数据处理流水线，以识别并标记暂现源候选体，优先选择多波段后续观测目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移0.2以内的范围内，星系中中性氢的分布与演化特征如何？其对星系形成与气体吸积过程有何启示？
• RQ2 星系中的磁场如何随宇宙时代表演化？大尺度旋转量网格揭示了宇宙磁场结构的哪些信息？
• RQ3 在宇宙时空中，射电辐射星系的源密度与光度函数如何？它们如何追踪恒星形成活动与活动星系核（AGN）活动？
• RQ4 通过大视场、高灵敏度巡天，可发现哪些新型暂现或变星射电源？它们与高能现象有何关联？
• RQ5 ASKAP能否探测并精确测量约一千个新射电脉冲星？这将如何提升全球脉冲星计时阵列对低频引力波的探测灵敏度？

主要发现

• ASKAP预计将在红移0.2以内、覆盖天空75%的区域探测到多达一百万个HI发射星系，从而实现对邻近宇宙中富含气体星系的全面普查。
• 该望远镜预计可探测约六千万个星系的同步辐射发射，为射电明亮星系群体提供深度视图，并可通过大尺度结构巡天开展宇宙学检验。
• 预计探测到超过五十万个偏振射电源，从而可构建10′分辨率的旋转量网格，用于绘制星系及星际介质中的磁场分布。
• ASKAP的宽视场与亚毫毫央斯基（sub-mJy）灵敏度使其能够实现单日对整个天空的巡天，因此在探测稀有和暂现射电现象方面具有独特优势。
• 该仪器预计可发现并精确测量约1,000个新射电脉冲星，显著提升脉冲星计时阵列对低频引力波的探测灵敏度。
• 高灵敏度、宽视场与高时间分辨率的结合，使ASKAP有望发现新型暂现源，包括快速射电暴或伽马射线暴射电对应体等潜在新天体物理现象。