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

S. Johnston, Ilana Feain+1 more|ArXiv.org|Mar 24, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 5

一句话总结

本文概述了澳大利亚平方公里孔径阵列路径计划（ASKAP），这是一台采用36台12米望远镜的相控阵馈电技术的下一代射电望远镜，其视场宽达30平方度，可在厘米和米波段实现快速、高灵敏度的天空巡天。ASKAP的关键贡献在于展示了关键技术，并在星系演化、宇宙磁学和暂现源等关键SKA科学领域取得重大进展，巡天速度高达1.3 × 10⁵ m⁴ K⁻² deg²/hr，连续谱观测灵敏度低至37 μJy/beam。

ABSTRACT

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 that will be 50 times more sensitive than any existing radio facility. Most of the key science for the SKA will be addressed through large-area imaging of the Universe at frequencies from a few hundred MHz to a few GHz. The Australian SKA Pathfinder (ASKAP) is a technology demonstrator aimed in the mid-frequency range, and achieves instantaneous wide-area imaging through the development and deployment of phased-array feed systems on parabolic reflectors. The large field-of-view makes ASKAP an unprecedented synoptic telescope that will make substantial advances in SKA key science. 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 two sites selected by the international community as a potential location for the SKA. In this paper, we outline the ASKAP project and summarise its headline science goals as defined by the community at large.

研究动机与目标

• 展示并原型化中频平方公里阵列（SKA）的关键技术，特别是抛物面反射面上的相控阵馈电技术，以实现宽场成像。
• 直接开展与SKA关键科学项目相关的世界级天文观测，包括星系演化和宇宙磁学。
• 在西澳大利亚建立一个射电宁静区域，长期支持射电天文观测，最大限度减少1 GHz以下频段的干扰。
• 通过参与巡天科学和数据分析，培养平方公里阵列（SKA）的用户群体。

提出的方法

• ASKAP利用36台配备相控阵馈电系统的12米望远镜，实现30平方度的瞬时视场，且与频率无关。
• 望远镜工作频段为700–1800 MHz，瞬时带宽达300 MHz，可实现高速度和高灵敏度的巡天。
• 采用波束成形技术，相干组合36台天线的信号，实现无需机械转向的宽场成像。
• 阵列配置为28台天线分布在直径2 km的范围内，另有8台天线延伸至3 km，最大基线达6 km，实现高角分辨率。
• 巡天速度与A²T⁻²F成正比，其中A为有效集光面积，T为系统温度，F为视场；灵敏度与AT⁻¹成正比。
• 系统优化为50 K的系统温度，巡天速度和灵敏度针对不同角分辨率（10”至180”）和科学模式（连续谱、谱线、表面亮度）进行计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在抛物面望远镜上有效部署相控阵馈电技术，以实现在厘米和米波段的宽场、高速巡天？
• RQ2 针对不同科学目标（如连续谱、谱线和表面亮度巡天），最优的阵列配置是什么，以最大化巡天速度和灵敏度？
• RQ3 ASKAP在多大程度上能够探测到覆盖80%天球、红移z = 0.2以内的星系中中性氢（H I）发射？这些探测对理解星系形成和气体演化有何启示？
• RQ4 ASKAP能够探测多少颗射电脉冲星和暂现源？这些探测结果对中子星演化模型和引力波探测有何约束？
• RQ5 ASKAP在绘制星系偏振发射图并追踪宇宙磁场随时间演化方面具有多大潜力？

主要发现

• ASKAP实现1.3 × 10⁵ m⁴ K⁻² deg²/hr的巡天速度，灵敏度为65 m² K⁻¹，相当于预期最终SKA性能的百分之几。
• 在10”角分辨率下，ASKAP实现220 deg²/hr的连续谱巡天速度，300 MHz带宽下灵敏度为100 μJy。
• 一小时观测的连续谱灵敏度在10”分辨率下为37 μJy/beam，180”分辨率下提升至132 μJy/beam。
• 对于100 kHz分辨率、5 mJy灵敏度的谱线巡天，ASKAP在10”分辨率下实现184 deg²/hr的巡天速度。
• 在30”分辨率下，表面亮度巡天速度达1.1 deg²/hr，5 kHz通道下灵敏度为1 K，一小时内灵敏度可达5.2 K。
• 项目预计探测到最多一百万个星系的H I发射，六千万个星系的同步辐射发射，以及超过五十万个偏振源，从而支持对宇宙磁学和星系演化的大规模研究。