[论文解读] The CCAT-Prime Submillimeter Observatory

Manuel Aravena, Jason E. Austermann+54 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Superconducting and THz Device Technology参考文献 39被引用 12

一句话总结

CCAT-Prime 是一台6米口径的亚毫米波望远镜，专为广域巡天设计，旨在通过[ CII ]线强度映射、星系团的Sunyaev-Zeldovich效应以及CMB偏振，绘制宇宙结构。配备Prime-Cam后，可实现对再电离时期（红移 z = 3.5–8.0）的三维层析成像，测量来自暗淡星系的总[ CII ]发射，并以高灵敏度和大视场（最高达8°）支持下一代CMB与线强度映射巡天。

ABSTRACT

The Cerro Chajnantor Atacama Telescope-prime (CCAT-prime) is a new 6-m, off-axis, low-emissivity, large field-of-view submillimeter telescope scheduled for first light in the last quarter of 2021. In summary, (a) CCAT-prime uniquely combines a large field-of-view (up to 8-deg), low emissivity telescope (< 2%) and excellent atmospheric transmission (5600-m site) to achieve unprecedented survey capability in the submillimeter. (b) Over five years, CCAT-prime first generation science will address the physics of star formation, galaxy evolution, and galaxy cluster formation; probe the re-ionization of the Universe; improve constraints on new particle species; and provide for improved removal of dust foregrounds to aid the search for primordial gravitational waves. (c) The Observatory is being built with non-federal funds (~ \$40M in private and international investments). Public funding is needed for instrumentation (~ \$8M) and operations (\$1-2M/yr). In return, the community will be able to participate in survey planning and gain access to curated data sets. (d) For second generation science, CCAT-prime will be uniquely positioned to contribute high-frequency capabilities to the next generation of CMB surveys in partnership with the CMB-S4 and/or the Simons Observatory projects or revolutionize wide-field, sub-millimetter line intensity mapping surveys.

研究动机与目标

• 通过[ CII ]158 μm线强度映射，绘制再电离时期（z = 3.5–8.0）大尺度三维星系形成分布。
• 通过星系团群体的广域亚毫米波巡天，研究星系团形成与Sunyaev-Zeldovich效应。
• 以高灵敏度和大视场测量CMB偏振，以改进对原初引力波与新粒子物理的约束。
• 通过捕捉暗淡、未解析星系的总信号，为ALMA、JWST和ngVLA提供互补数据。
• 通过非联邦资助与公共仪器支持，为更广泛的天体物理学社区提供数据整理与协作巡天规划的访问权限。

提出的方法

• 利用位于智利海拔5600米处的6米口径非轴对称、低发射率（≤2%）亚毫米波望远镜，实现高大气透射率与大视场（最高达8°）。
• 采用Prime-Cam，一种广域的bolometric相机，配备多个科学模块，可同时观测[ CII ]、[ OIII ]与CO线，覆盖不同红移。
• 在关键遗产场（如COSMOS、CDFS、HERA-Dark、Stripe 82、GAMA）对8 deg²区域进行深度广域巡天，[ CII ]在220 GHz频段的灵敏度达0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹，尘埃连续谱在860 GHz频段的灵敏度达2.5 mJy beam⁻¹。
• 在山顶重新组装过程中，使用激光干涉测量与塔式全息术验证表面精度，确保亚微米级对准精度。
• 采用自下而上的成本模型进行运行与科学运行管理，包括数据整理、社区研讨会与更广泛天体物理学社区的数据访问。
• 计划第二代科学，通过与CMB-S4和Simons Observatory项目的整合，利用高频能力支持下一代CMB与线强度映射巡天。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过z = 3.5–8.0范围内[ CII ]强度映射实现再电离时期大尺度结构的三维层析成像？
• RQ2 未解析星系的总[ CII ]发射功率是多少？其如何追踪宇宙结构与暗物质涨落？
• RQ3 如何通过广域亚毫米波巡天，利用Sunyaev-Zeldovich效应在高红移探测并表征星系团？
• RQ4 通过高灵敏度CMB偏振测量，可对原初引力波与新粒子种类施加何种约束？
• RQ5 Prime-Cam的多波段、广域能力如何与ALMA和JWST等高分辨率设施协同，用于探测暗淡、高红移源？

主要发现

• CCAT-Prime将在8 deg²区域、2000小时观测时间内，实现220 GHz频段[ CII ]强度映射0.02 MJy sr⁻¹ bin⁻¹的灵敏度。
• 该仪器将在860 GHz频段实现2.5 mJy beam⁻¹的尘埃连续谱发射探测，支持对尘埃遮蔽星系形成区域的深度巡天。
• Prime-Cam将同时映射158 μm处的[ CII ]、88 μm处的[ OIII ]以及多个红移下的CO线，实现对高红移源的多线光谱观测。
• 望远镜计划于2021年第四季度首次点亮，首次点亮科学巡天将持续五年，总预计寿命为10–20年。
• 该设施将获得800万美元联邦资金支持Prime-Cam，每年100万至200万美元用于运行，另有4000万美元私人与国际资金覆盖望远镜与基础设施建设。
• CCAT-Prime在支持CMB-S4与Simons Observatory方面具有独特优势，可提供高频亚毫米波能力，并实现广域线强度映射巡天。