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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 l.jpg

Square Kilometer Array(SKA)

鹿児島大学 中西 裕之


Slide2 l.jpg

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)


Slide3 l.jpg

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


Slide4 l.jpg

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


Slide5 l.jpg
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


Slide6 l.jpg
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)


Slide7 l.jpg

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)


Slide8 l.jpg
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


Ska vs vla l.jpg
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


Slide10 l.jpg

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


Ska s quare k ilometer a rray l.jpg
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


Slide13 l.jpg
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


Slide14 l.jpg
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)



Slide19 l.jpg
サーベイのスピード

Survey Speed Figures of Merit (SSFoM)

SSFoM = B(NFovΩFov/Nsa)(fc Aeff/m Tsys)2


Key science project l.jpg
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


Slide21 l.jpg
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


Slide22 l.jpg
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


Slide23 l.jpg
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


Slide24 l.jpg
4. 重力理論の検証


Slide25 l.jpg
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


Slide26 l.jpg
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




Slide29 l.jpg
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


Slide30 l.jpg
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


Phase i l.jpg
Phase I のシステム


Phase ii l.jpg
Phase IIのシステム


Slide33 l.jpg
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


Slide34 l.jpg
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)


Ska consortium l.jpg
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


Ska workshop 08 ska l.jpg
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


Slide37 l.jpg
日本とSKAサイト候補地

赤道


Vera vs ska l.jpg
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


Slide39 l.jpg
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


High band l.jpg
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


Ska vera l.jpg
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


Slide42 l.jpg
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


Slide43 l.jpg
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)