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より現実的な サイエンスの検討 に 向けて

より現実的な サイエンスの検討 に 向けて. 高橋慶 太郎 熊本大学 ２ 月 ２０ 日. 目次 １、イントロダクション ２、 SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３ 、 SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF. 目次 １、イントロダクション ２、 SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３ 、 SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF.

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より現実的な サイエンスの検討 に 向けて

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Presentation Transcript

  1. より現実的な サイエンスの検討に向けて 高橋慶太郎 熊本大学 ２月２０日

  2. 目次 １、イントロダクション ２、SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３、SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF

  3. 目次 １、イントロダクション ２、SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３、SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF

  4. Design Reference Mission Phase 1について、 サイエンスからSKAの スペックについての要望が “Design Reference Mission” においてなされた。 → ２年前に紹介

  5. ・周波数ごとに分解するとtomographyができる ・輝度温度はせいぜい10mKほど ・phase 1ではイメージが取れる感度が十分でないので power spectrumで統計的に調べる ・full SKAならイメージが取れるかも

  6. Scientific Requirements シミュレーションによると1’-2’の 分解能（2Mpc comoving）がないと 10mKというピークが見えない。 分解能が5’程度になるとピークは 3mKくらいになってしまう。 S/Nとcosmic varianceより

  7. Technical Requirements 干渉計 分解能 = 波長/基線長 視野 = 波長/アンテナ口径

  8. 再イオン化前の電波源 （GRB、クェーサーなど）の 21-cm forestを見ることで 再イオン化のプロセスを探る。 このあたりが ざくざく削られる この辺で何かできそうな アイデアが（井上さんに） あり？ Inoue, Omukai & Ciardi, 2007

  9. Scientific Requirements いろいろな研究の中での 下限に近いもの

  10. Technical Requirements 視野の中に余分な明るい源が入っていると、目的の 源のスペクトルにまぎれ込んでくる。例えば 視野10 deg2、周波数150MHz (z=8)を考える。 7C source countsによるとこの大きさの視野だと 平均的には4.3Jy程度の明るさの邪魔な源がある。 一方21-cm forestに使う源の明るさ15mJyとすると （Carilli et al., 2002）、optical depth 0.001を 検出するにはspectral dynamic rangeは54dBでないと いけない。さらに5σdetectionを課すと+7dBで 合計61dBとなる。

  11. 要望のまとめ

  12. このトークの目的 ・engineeringから国際SWGへの要請 ‐現在の技術とサイエンスからの要望には 　ギャップがある ‐技術開発は続けるが、万が一進展がなく 　現状の技術で建設せざるを得なくなった場合 　どのような仕様にすべきか → 昨年国際SWGで議論された → Magnificent Memo (SKA memo 141, 142) ・国内においても「何でもできるSKA」ではなく 「現実的なセットアップのもとで何が可能か？」 を検討すべきとの声が多い 今回は周波数帯域に関する２つのメモの紹介をし、 「現実的なサイエンス」を考える土台とする

  13. 目次 １、イントロダクション ２、SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３、SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF

  14. 文書の背景 SKA1-low ・sparse aperture array ・計画：70-450MHz (goal: 50-450MHz) 　→ dynamic range 6.4:1 (goal 9:1)が必要 ・現在の技術では3.5:1程度 ・技術が現状と変わらないとして、どの周波数帯を選ぶ？ ・SKA1 Key Scienceを中心に考える ‐HI(EoR, 21cm forest, galaxy evolution) ‐pulsar（相対論の検証、重力波観測、核物質） （‐magnetism, astrobiology, transients）

  15. EoR z～200 ・ガスとCMBがdecouple ・TSはTKにしたがう ・HIはCMBの吸収として 見える z～50 ・原子の衝突頻度が減る ・TSは再びTCMBへ z～35 EoRの始まり？ z～5EoRの完了 赤方偏移したHI (1420MHz)： z=5-35を見ようとすると dynamic rangeは6:1になる。 もっと狭めないと・・・。 Pritchard & Loeb(2008)を 見ると5.6 < z < 25くらいが妥当 → 54-215MHz これでも4:1だが。

  16. もう少し欲張ると 標準的には54-215MHzでいいが、周辺帯域も面白い。 ・原始磁場：z～50で磁場拡散やMHD乱流の 散逸による加熱（Schleicher et al. 2009） → 30MHz ・z=5でも中性水素がpatchで10%ほど残っている (Mesinger 2010) → 240MHz ・標準物理の枠内で極端なLy-αやＸ線について パラメータを取るとz=35あたりから吸収が観測できる？ → 40MHz ・大スケールと小スケールのcouplingにより、 z>20で明るくなる？(Tseliakhovich & Hirata 2010) 　→ 70MHz 40-240MHz (z=5-35)も感度は落ちるとはいえ ある程度観測できて欲しい。

  17. 21cm forest 再イオン化よりずっと前の電波源が中性水素から 吸収を受ける 　高周波：z = 5まで見たいので高周波は240MHz 　低周波：ソースがどこまでhigh zにあるかわからないが 　　　できるだけhigh zまで見たい dynamic range 3.5:1 　→ 70-240MHz (z=5-19) galaxy evolutionvia HI absorption 再イオン化後から現在までの銀河の進化を見る 　高周波：SKA-lowは最大でも450MHz (z=2) 　低周波：そんなにhigh zでなくてもよい dynamic range 3.5:1 → 130-450MHz (z=2-10)

  18. SKADS Simulated Sky continuum survey 銀河進化 ・銀河放射は星形成量の目安 ・QSOはダストに隠されない → 星形成とQSOの関係、進化 宇宙論 ・イメージ → weak lensing ・CMBとの相関 → ISW 　→ 宇宙論パラメータ 考慮すべきこと 　・視野 (survey speed) ∝f-1 　・明るさ（星形成銀河・暗いAGN）∝f-0.7 　・角度分解能∝f (450MHz → 0.7arcsec →5.5kpc at z=1) 　・confusion → 高周波の方が有利 SKA-lowはconfusion limitedなので高周波が圧倒的に有利

  19. コメント 我々の扱うテーマだけでも利益相反する。 ・EoR優先なら銀河進化、宇宙論は？ ・銀河進化、宇宙論優先ならEoRは？ ・両方それなりにやる？ SKAの他のサイエンスも組み合わせると さらに複雑になる。

  20. パルサー 相対論の検証：ultra-relativistic pulsar 重力波観測：stable, high-precisionmillisecond pulsar →　たくさんパルサーを見つけていいものを厳選 　・パルサーの明るさ∝f-1.6 ・ノイズの大きさ∝f-2.6 　・ISMによる分散、散乱∝f-3.9 ・広帯域観測∝f Figure of Merit 高周波が圧倒的に有利

  21. ・何を優先するか ・優先されなくてもどの程度できるか ・SKA-midまで考えると・・・

  22. 目次 １、イントロダクション ２、SKA memo 141: Optimum Frequency Range for SKA1-lo ３、SKA memo 142: Optimum Frequency Range for PAF

  23. Phased Array Feed AIP (Advanced Instrumentation Program) SKA 2から組み込むかもしれない先進的技術 （全てSKA-midに対応） ・PAF (Phased Array Feed) ‐dishに取り付ける ‐広視野、同時多天体観測 → サーベイ効率Up ‐ASKAPに搭載 ・ultra-wideband single pixel feed ‐dishに取り付ける ‐広帯域 ‐MeerKATに搭載 ‐日本の重点項目 ・dense aperture array ‐stand alone ‐広視野

  24. PAFの最適な周波数帯 phase 2のSKA-midの周波数帯域：0.45 - 10 GHz 現在のPAFのfrequency dynamic range: 2.5:1 → 技術進歩がなかったらどの周波数帯がよいか？ → phase 2のサーベイに関するサイエンス ・rotation measure survey ・pulsar survey ・continuum survey ・HI survey

  25. continuum survey 考慮すべきこと 　・視野 (survey speed) ∝f-0 　・明るさ（星形成銀河・暗いAGN）∝f-0.7 　・角度分解能∝f 　・confusion → 高周波ではあまり重要でない → sensitivityと角度分解能のtrade-off 　・SKA 1: baseline = 200km 　→ 0.3 arcsec @ 1.4 GHz → 2 kpc @ z=1 　→ 1.4 GHz周辺がよい ・SKA 2: baseline = 3000km 　→ 0.02 arcsec @ 1.4 GHz → 0.1 kpc @ z=1 　→ もっと低周波（0.7 GHz）でよい

  26. HI survey HI emission → zがわかる ・銀河の中性水素の進化 ・BAOでdark energy ・大規模構造マッピング PAFだけだとカバーできないので SKA-low, PAF, SPFで周波数を分担する → 分担の仕方で３つのシナリオを考える

  27. HI survey survey speed SKA-lowは本来450MHzまでで それ以上の高周波は効率が悪いが 570MHzまで観測してもらい PAFは570-1425MHzを担当する のがよい。

  28. まとめ

  29. 今後の方針 こんな感じで SKAのいろんな スペックを検討 し、「現実的な サイエンス」を 提示していく 必要がある。

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