[论文解读] The Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST)

Pamela Klaassen, Tony Mroczkowski+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Superconducting and THz Device Technology被引用 10

一句话总结

该论文提出了阿塔卡马大型孔径亚毫米波望远镜（AtLAST），一台50米口径的单镜面亚毫米波望远镜，旨在通过高灵敏度、大视场巡天，以前所未有的深度和分辨率绘制亚毫米波天空图。通过结合1°视场、高透过率光学系统以及一整套先进仪器——包括混频谱线仪、多色连续谱相机和直接探测积分视场单元（IFU）——AtLAST将能够解析原恒星核并探测遥远的微弱星系，从而在恒星与星系形成、宇宙学以及致密天体演化等领域实现变革性科学突破。

ABSTRACT

The sub-mm sky is a unique window for probing the architecture of the Universe and structures within it. From the discovery of dusty sub-mm galaxies, to the ringed nature of protostellar disks, our understanding of the formation, destruction, and evolution of objects in the Universe requires a comprehensive view of the sub-mm sky. The current generation single-dish sub-mm facilities have shown of the potential for discovery, while interferometers have presented a high resolution view into the finer details. However, our understanding of large-scale structure and our full use of these interferometers is now hampered by the limited sensitivity of our sub-mm view of the universe at larger scales. Thus, now is the time to start planning the next generation of sub-mm single dish facilities, to build on these revolutions in our understanding of the sub-mm sky. Here we present the case for the Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST), a concept for a 50m class single dish telescope. We envision AtLAST as a facility operating as an international partnership with a suite of instruments to deliver the transformative science described in many Astro2020 science white papers. A 50m telescope with a high throughput and 1$^\circ$ FoV with a full complement of advanced instrumentation, including highly multiplexed high-resolution spectrometers, continuum cameras and Integral Field Units, AtLAST will have mapping speeds thousands of times greater than any current or planned facility. It will reach confusion limits below $L_*$ in the distant universe and resolve low-mass protostellar cores at the distance of the Galactic Center, providing synergies with upcoming facilities across the spectrum. Located on the Atacama plateau, to observe frequencies un-obtainable by other observatories, AtLAST will enable a fundamentally new understanding of the sub-mm universe at unprecedented depths.

研究动机与目标

• 为解决当前大规模亚毫米波天空巡天在灵敏度和巡天速度方面的不足，这些不足限制了对宇宙结构及尘埃星系演化机制的理解。
• 克服现有单镜面望远镜设施和干涉仪的局限性，提供一台高透过率、大视场望远镜，能够达到遥远宇宙中L*以下的混淆极限。
• 实现对亚毫米波天空的高空间分辨率与高光谱分辨率全面测绘，将ALMA的高分辨率发现置于更广阔的宇宙学背景中。
• 建立一个全球可访问的开放科学天文台，提供公开数据和开源软件，确保广泛的科学界参与和长期科学影响。
• 开发下一代设施，与即将开展的多波段巡天（如LSST、SPHEREx、eROSITA、ngVLA）以及未来空间任务（如SPICA和CMB-HD）形成互补。

提出的方法

• 设计一台50米口径的单镜面望远镜，具备1°视场和专为亚毫米波频率（最高约1.5 THz）优化的高透过率光学系统，充分利用高海拔、干燥的阿塔卡马观测地点。
• 集成一套首期仪器：高分辨率混频谱线仪、多色宽频带连续谱相机，以及具有1000多个空间通道的直接探测积分视场单元（IFU）。
• 采用先进探测器技术，包括连续谱相机使用的200万个热释电探测器，以及高复用SIS混频器用于混频接收机，以实现高灵敏度和高巡天速度。
• 在各仪器间采用统一后端架构，以降低费用并提升集成效率，同时配备低温系统，使探测器在毫开尔文温度下运行。
• 采用开源软件开发与数据政策，确保所有数据均存档并可通过中央天文台档案库公开获取。
• 利用阿塔卡马天文园区现有的基础设施，降低建设与场地准备成本，同时确保在强风条件下的结构稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过大口径、高透过率的单镜面亚毫米波望远镜，克服现有设施在灵敏度和巡天速度方面的局限，以前所未有的深度绘制亚毫米波天空？
• RQ2 为实现对大视场内恒星形成与星系演化的研究，何种最优仪器组合可同时支持高分辨率光谱、连续谱成像与积分场光谱？
• RQ3 AtLAST如何实现遥远宇宙中L*以下的混淆极限灵敏度，从而探测微弱的尘埃亚毫米波星系？
• RQ4 AtLAST如何与LSST、eROSITA、SPHEREx和ngVLA等即将投入运行的多波段设施形成协同效应，以增强多信使与多波段科学能力？
• RQ5 如何设计AtLAST，使其成为可持续的开放科学天文台，具备长期运行可行性与由科学社区主导的科研计划？

主要发现

• AtLAST预计其巡天速度将比当前或计划中的任何亚毫米波设施高出数千倍，从而能够实现对亚毫米波天空的深度、大范围巡天。
• 该望远镜将能够解析银河系中心距离处的低质量原恒星核，为早期恒星形成过程提供关键洞见。
• 所提议的仪器套件，包括配备200万个探测器的多色连续谱相机，预计成本约为9000万美元，其中10%用于低温恒温箱和光学组件。
• 直接探测IFU目前技术成熟度约为4级，成本不确定性最高，预计成本达4亿美元，主要因尚未验证其在每个空间单元扩展至1000多个通道的可行性。
• AtLAST的总成本（包括望远镜、首期仪器及25%的管理费用）预计约为10亿美元（2019年美元），属于地基项目中的“大型”类别。
• 预计建设将在未来十年内启动，首光预计在10年内实现，预期运行寿命超过30年。