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Square Kilometer Array (SKA)

Square Kilometer Array (SKA). 鹿児島大学　中西 裕之. 私のこれまでの研究 ～天の川銀河３Ｄガスマップ～. Hartmann & Burton (1997) Kerr et al. (1986) Burton & Listz (1983) Dame et al. （ 2001 ）. HI データ. 銀河系回転曲線. CO データ. Inner Galaxy. Outer Galaxy. inner Galaxy 　（ R< R 0 ) : Clemens(1985) outer Galaxy （ R> R 0 ) :

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Square Kilometer Array (SKA)

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Presentation Transcript

  1. Square Kilometer Array(SKA) 鹿児島大学　中西 裕之

  2. 私のこれまでの研究 ～天の川銀河３Ｄガスマップ～ Hartmann & Burton (1997) Kerr et al. (1986) Burton & Listz (1983) Dame et al. （2001） HIデータ 銀河系回転曲線 COデータ Inner Galaxy Outer Galaxy inner Galaxy　（R< R0 ) : Clemens(1985) outer Galaxy （R> R0 ) : Dehnen & Binney (1998)

  3. 銀河系を真上から見た姿 赤：水素原子（ＨＩ） 緑：水素分子（Ｈ２） 画像提供：国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクト林満氏

  4. 渦巻銀河ＨＩ円盤の鉛直構造 Nakanishi & Sofue 2003 銀河系研究から銀河ＨＩディスクはarmで薄く、inter-armで厚いという新たな知見 銀河に一般な傾向か？ →　edge-on銀河で調べる他ない（数Mpc以遠） HIディスクの厚みは数百pc→構造を探るには数十pcの分解能（１”）のＨＩデータが必要→SKAによって初めて実現 赤：水素原子（ＨＩ） 緑：水素分子（Ｈ２） Crosthwaite et al. 2000 画像作成協力：国立天文台4次元 デジタル宇宙プロジェクト林満氏

  5. 現在ＨＩ観測ができる主な干渉計 WSRT　最大基線長 2.7 km 25m 14台 VLA　最大基線長 36 km 25m 27台 ATCA　最大基線長 6 km 22m 6台

  6. HI観測をする上での目安 ・観測したい深さ (face-on銀河の場合) 1Mo/pc2=1.3×1020H/cm2 =68 K km/s （HIディスク半径の基準にされる値） ・速度分散：～10km/s →１ｃｈあたりの輝度温度～7K →必要なrms：　～1K 　（S/N～5の場合）

  7. Frequency Band Name System Antenna RMS (10 min) (GHz) approximate letter Temperature         Efficiency         Sensitivity wavelength code (K) (%) (mJy) 0.073 - 0.0745 400 cm 4 1000-10000 15 150 0.3 - 0.34 90 cm P 150-180 40  1.4 1.24 - 1.70 20 cm L 35 55 0.056 4.5 - 5.0 6 cm C 45 69 0.054 8.1 - 8.8 3.6 cm X 35 63 0.045 14.6 - 15.3 2 cm U 120 58 0.19 22.0 - 24.0 1.3 cm K 50 - 80 40  0.1 40.0 - 50.0 0.7 cm Q 80 35 0.25 ＶＬＡの感度（ステータスレポート） （注）ＶＬＡのステータスレポートの表は連続波について　　の値 　　　（バンド幅：１つのＩＦあたり43 MHz、全部でＩＦ４つ）

  8. ＶＬＡでのＨＩ観測 現状ではノーマル銀河はC, D配列での観測が無難　→　分解能12”以上　 　　　　　　　　　↑他波長での観測と大きな格差

  9. SKA vs. VLA 現在のＣ配列と同じ感覚で 1秒台分解能観測が可能となる

  10. 系外銀河のＣＯ・ＨＩ観測 CO vs. optical CO vs Hα 野辺山ミリ波干渉計によるNGC4569のCO観測 Nakanishi et al. (2005) CO vs HI HIの分解能>10” 他　1”程度

  11. SKA (Square Kilometer Array) • 周波数：0.1－25GHｚ Low-band: 100-500MHz Mid-band:500MHz-10GHz High-band: 10GHz-25GHz • アンテナ： 1. 台数：2000－3000台 2. 配置： 　　半数を中心5km以内 　　最大基線長3000km 3. 開口面積: 100万m2

  12. SKAの特徴 • 高感度(開口面積＋受信機性能の向上) VLAの約50倍 • 広視野　　　　　　　　（口径＋マルチビーム）　　　　　　　　　　 　サーベイ速度はVLAの 　一万倍以上＠1.4GHz • 高分解能（長基線） 　最大基線長はVLAの80倍 25GHzで0.8mas VLA vs SKA

  13. アンテナのタイプ Canada CART 10m 南アフリカ KAT 15m • Dishes + wide-band single pixel feeds (WBSPF) • Dishes + Phased Array Feeds (PAFs) • Aperture arrays (AA) USA ATA 6m Dense AA Sparse AA LOFAR(NL) EMBRACE(NL)

  14. システムの概観

  15. サーベイのスピード Survey Speed Figures of Merit (SSFoM) SSFoM = B(NFovΩFov/Nsa)(fc Aeff/m Tsys)2

  16. Key ScienceProject • 宇宙における生命 • 宇宙の暗黒時代 • 宇宙磁場の進化 • 重力理論の検証 • 銀河進化

  17. 1. 宇宙における生命 Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF I. 地球型惑星の探査 高分解能観測 →数AUの原始惑星系円盤を 描き出す II. 有機高分子 生命に繋がる有機分子を探査CH2OHCHO（13－22GHz）など　 III. 地球外知的生命探査 (SETI) 空港レーダーやTV電波など 意図せずに放射している電波も受信可能に

  18. 2. 宇宙の暗黒時代 I. 宇宙再電離と 　　宇宙最初の天体 z=14～5.5の間に再電離があったはず 　　→ 宇宙最初の天体誕生を示す II. 宇宙最初の重元素 CO分子等の輝線探査 III.宇宙最初のブラックホール z>6のクエーサが存在。この時代にブラックホールが生まれたことを示す 　　→　z>6で生まれたブラックホールを捉える（電波連続波） Jiang et al. 2008 Ohta et al. 1996

  19. 3. 宇宙磁場の誕生と進化 • All Sky RM Survey 　 全天にある数億個の天体を背景としてRotation Measure (RM)を測定 　　→　z=0―5における宇宙磁場の構造変化を明らかにし、　　　“宇宙における磁場の役割”を解明 CMBの偏波測定も可能 　　→　初期磁場を検出

  20. 4. 重力理論の検証

  21. 4. 重力理論の検証 I. 強い重力場の　重力理論検証 2重パルサーや ブラックホール-パルサー系からのパルスを測定 II. 重力波の検証 正確な時計としてパルサーを利用 　　→ 重力波をパルス時間のずれから検出

  22. 5. 銀河進化 • 銀河進化と宇宙の構造形成 HI21cm線サーベイによるz=1.5までの広視野にわたる銀河分布 • 星形成史 連続波&HIによる星形成史の解明

  23. 建設計画

  24. 建設計画

  25. 建設候補地 • 最終候補　 オーストラリア　　　 　　　　　　　　　南アフリカ • 判断基準人口電波レベルの低さ 　　　　　　　　　広大な土地（3000km以上） 　　 大気の安定度 • 建設費 • pathfinder →2011年に決定

  26. SKA実現に向けた動き Pathfinder始動!! • ASKAP(オーストラリア) 12m鏡 36台 Tsys目標：35K 　周波数：0.7-1.8GHz 　周波数帯域：300MHz 　基線長：8 km • MeerKAT(南アフリカ） 12m鏡 80台 Tsys目標：30K 　周波数：0.7-2.5GHz 　周波数帯域：512MHz 　基線長：10 km

  27. Phase I のシステム

  28. Phase IIのシステム

  29. SKAの組織 • 参加国と研究機関：15カ国、30研究機関 ヨーロッパ、オーストラリア、カナダ、アメリカ、南アフリカ、中国、インド等 • 組織

  30. SKAに向けた国内の動き ’04年？　 SKA検討Working Group発足 NAOJ電波専門委員会のもとに発足 ’04年11月　　　 SKAワークショップ＠三鷹開催 ’06年 2月　　　 SKA ワークショップ＠野辺山開催 ’08年 5月 SKA consortium結成 SKA検討WGとは独立に、ボトムアップでの検討開始 ’08年秋　オーストラリアATNFで進められているASKAPとの 共同研究/開発の可能性について議論開始(鹿児島大） 国際サイエンスワーキンググループへの参入 (祖父江、中西)

  31. SKA consortium 現在の参加者：　43名１４機関 　北海道大学、東北大学、茨城大学、NICT、東京大学、国立天文台、JAXA, 　名古屋大学、京都大学、近畿大学、和歌山大学、東海大学、鹿児島大学、 　台湾中央研究院 世話人： 中西 裕之（鹿児島大学）、徂徠和夫（北海道大学）、萩原 喜昭（国立天文台） 大田泉（近畿大） 活動： • 主にメーリングリストによる議論および情報交換 • ワークショップの開催

  32. SKAWorkshop ’08～SKAに向けたサイエンスと技術開発～ 日時：2008年11月1日（土）10:00頃　～　11月2日（日）12:00頃 場所：国立天文台三鷹　解析研究棟１階 大セミナー室 トピックス：SKAに向けたサイエンスと技術開発 主催：NROワークショップ、光結合VLBI推進室、VSOP-2 推進室、 　鹿児島大学 プログラム案 1．SKAの概要　 2. SKAで狙うサイエンス 3. SKAに向けた開発 4. 議論 　　　日本におけるキーサイエンス 　　　国内におけるSKAに向けた今後の活動

  33. 日本とSKAサイト候補地 赤道

  34. VERA vs SKA 東経 117°南緯26°(Mileura) 最大基線長：3000km 東経 130°北緯31°(入来局) 最大基線長：2300km 3000km 基線長は同程度、赤道からの距離も同程度、 南半球、北半球という相補的な関係

  35. SKAにおける日本の独自性 • Low-, Mid-bandよりHigh-band • Low-bandとMid-bandは具体的な建設に向けて動いている（Pathfinderの始動） • High-bandは目処がたっていない 　→　SKAプロジェクトに今から参入するなら、 High-bandが特色を生かせる分野かも • 日本は比較的高周波での研究経験が豊富

  36. High-bandによるサイエンス “Preliminary Specifications for the Square Kilometre Array” R. T. Schilizzi et al 10 Dec 2007

  37. SKAで進めたいVERAサイエンス • H2OMaser観測による位置天文学 （日本の特色＆強み） • 北半球にあるVERAと協力して 　銀河系全体の三次元地図を描くことが可能 • 銀河中心が天頂付近 　→Sgr A*の年周視差が観測しやすい→R0の決定

  38. まとめ • ＳＫＡはアンテナ2000-3000台、周波数0.1-25GHzの巨大電波干渉計プロジェクトであり、オーストラリアまたは南アフリカでの建設に向けて準備が進んでいる • ＳＫＡでは(1)宇宙における生命(2)宇宙の暗黒時代 (3)宇宙磁場の進化(4)重力理論の検証(5)銀河進化といったキーサイエンスが掲げられ、重要な宇宙物理のテーマについての成果が期待される • 現在日本からの貢献もしていくための検討を始め、ＶＥＲＡで行われている20GHz帯での位置天文などが一つの切り口として考えられる

  39. 興味のある方に 詳しい情報は ＳＫＡの公式ホームページ http://www.skatelescope.org 日本のSKA consortiumに参加 したい方は世話人（中西裕之、 徂徠和夫、萩原喜昭、大田泉） までご連絡ください hnakanis@sci.kagoshima-u.ac.jp (tennetアーカイブからもたどれます）

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