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突発電波発光に対応した SKA の仕様に関して

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  1. 突発電波発光に対応したSKAの仕様に関して 今井裕 鹿児島大学大学院理工学研究科 日本SKA懇談会

  2. 講演内容 • SKAとは • 一般的解説 / transients & pulsars Science WGs • 注目すべき仕様 • SKAによる電波源掃天探査 • SKAによる突発電波発光源の監視・同定 • Pulsar survey and timing • 位置同定(アストロメトリ) • SKA参加への道のり • Pathfinders/precursorsへのアクセス • 日本(SKA-JP)での取り組み • Transients Science WG への加入は?

  3. SKA (Square Kilometre Array) とは • 各周波数バンドで有効開口面積Ae=1,000,000 m2 • 周波数バンド: 低周波数域をカバー • Low: 50-300 MHz, Mid: 350 MHz—10 GHz (High: 10-25 GHz) • 2段階のタイムライン • Phase 1: Full SKA の10%スケール、2020年科学的運用開始 SKA1-low(豪), SKA1-mid(南ア), SKA1-survey(豪) • Phase 2: Full SKA、2020年建設開始 • 国際プロジェクト • Board members: 11 countries (and more) • International Science Working Groups  KSPs

  4. [MHz]

  5. ASKAP Phased Array Feed (30deg2 coverage) SKA1-survey [MHz]

  6. Sky noise

  7. SKAによって拓かれる新しい天文学 近傍銀河NGC6946 既存のセンチ波電波望遠鏡 VLA(米) 近傍宇宙の水素ガス分布 →銀河・宇宙進化の解明 感度 50倍 解像度 100倍 センチ波画像 ガスの分布 可視光画像 宇宙初期の水素とヘリウムしか存在しない時代まで遡る 次世代センチ波電波望遠鏡 国際協力による世界一の電波望遠鏡 SKA (Square Kilometer Array): センチ波メートル波の電波望遠鏡3000台を南アフリカ・オーストラリアにイギリス、南アフリカ、オーストラリア、オランダ、ドイツ、イタリア、カナダ、中国、インドの国際協力事業として2016年度から建設を開始する。 画期的な発展を • 宇宙最初の星・銀河による水素原始ガスの電離過程 • パルサー観測による重力理路の検証 • 宇宙磁場の構造と進化 など 高感度、高分解能、広視野、広帯域の長波長大陸望遠鏡

  8. 中性水素原子ガス観測で解き明かす宇宙史 中性水素原子ガスの放射する波長21cm線の電波観測により、 宇宙初期の水素とヘリウムしか存在しない時代まで遡る 137億年 10億年 1億年 100万年 ビッグバン 宇宙 背景放射 暗黒時代 最初の超新星爆発 とブラックホール誕生 Planck 初代星誕生 原始銀河の合体衝突 SKA 現在 ALMA TMT 天体形成以前・直後のガスの進化を見る

  9. パルサー観測で銀河系を重力波望遠鏡に • 数万個のパルサーを観測 • Pulsar Timing Array • →重力波の直接観測 • 二重パルサー探査 • →重力理論の検証

  10. 高感度・広帯域偏波観測による宇宙磁場研究 VLA SKA 1,000,000 (SKA2-DF) 検出天体数が飛躍的に増加(高感度) 2次元情報から3次元情報へ(広帯域) →宇宙磁場の構造と歴史を解明 50平方度あたり の偏波天体数 10 1 0.1 年代:’60-’70’80-’90‘00-’10 ‘20

  11. SKAの科学的目標・装置仕様の特長 • 低周波数バンドをカバー(70 MHz – 10 GHz) • 中性水素21 cm線 (1440 MHz):赤方偏移 20までカバー • 非常に大きな比帯域Δν/νcenter~1 • 広視野 • 複数視野・多数視野(SKA1-survey)も想定 • Receiving  beam forming, channeling  signal processing (correlation, spectroscopy) • 同時に多目的の観測が可能 • 像合成データ+時系列データ(non-imaging processing) 突発電波発光天体の探査に必要な仕様になっている

  12. 突発電波発光源の観測に必要な仕様とは? • ALMAやすばる: 神に祈るのみ(偶然視野に入るように) ToOはほとんどの天文観測装置で想定済み(運用上の問題) • 定期的な全天探査 • 時系列・スペクトルデータの(一時)保存と(即時)分析 • 電波干渉計として必須: Time average, band width smearing の影響を低減 • 処理速度に限界がある • 保存可能なデータ容量にも限度がある • 突発現象の有無を即時に判断する必要がある • 突発電波発光そのものの位置測定 • e.g. GRB: 残光源の赤方偏移と位置同定

  13. SKAによる電波源掃天探査 • とにかく全天探査をするはず • 銀河面: パルサー・高分子・原始惑星円盤系探査1-10 GHz • 銀極方向: 深宇宙探査70 MHz – 1000 MHz 銀河面前景放射の影響を考慮する必要がある(感度・偏波) • 探査の手順は要検討 • “Discovery of unknown”: 突発発光源探査だけを行う提案は不要(のはず) • 長時間積分 (~1000 時間/視野) =定期的(1日ずつ?待ち受け式?)複数回観測(のはず) • 南中方向で待ち受け?: 電離層、RFIの影響を最小限に • 多目的同時観測?Imaging & non-imaging processing • 望遠鏡配置はSWGs間で交渉中: • 広い視野v.s. 高角分解能

  14. Example: intensity maps • Target sciences • HI maps of galaxies at cosmological distances (z>>1) • EoR, proto-planetary disks • Imaging dynamics range: 3×106(1000 hr integration)

  15. Example: intensity maps Continuum Line 3π str within 2 years 1000 hour integration

  16. Example: SKA1-mid Pulsar Survey • 2年間で36,000平方度を探査、 1視野600秒積分 • Non-imaging processing • 50μs sampling: ミリ秒パルサー同定、pulse timing, Dispersion Measure 計測 (DM<3000 cm-3pc)

  17. Example: SKA1 Pulsar Timing Array • 毎月48時間観測、10年間継続 • ~300 MSPs (?) • 信号雑音比> 1000 • Timing の分解能: Δτ=100ns

  18. Radio Astrometry with the SKA • 年周視差・固有運動計測 (σ<1 mas with VLBI) • 電波源同定 (σ<10 mas, in SKA1) • SKAを想定した電波像合成・位置計測シミュレーション(内野、鹿児島大学卒業論文) • 対象はOHメーザー源(周波数幅 1kHz) • 銀河系内: 5分間程度観測できれば撮像・位置計測可能 • 局所銀河群: 帯域300MHz, 数時間の撮像が必要 • M31*: 20μJy など

  19. Baseline and array sensitivity in SKA1 • Baseline sensitivity (for calibration) mJy-level continuum calibrators useful (~10 mJy at present) c.f. SEFD=42 Jy @Parkes 64-m L-band • Image sensitivity (core-remote baselines only) 10 mJy-level OH masers as astrometry targets (~1 Jy)

  20. Number of continuum reference sources • Residual contributed from the atmosphere • Dynamic component (Asaki et al. 2007) Δθ(target – reference) < 24° @1.5 GHz for 10 μas-level astrometry • Static component (ionosphere) should be taken into account. multiple calibrators • ~30 000 calibrators with Sν>0.5 mJy (estimated from rfc_2013b)  Calibrators for all targets at longest within 1°.2 SKA2 detection limit Number of Reference sources per primary 15-m antenna beam (0.7°) (SKA Memo 135)

  21. SKA参加への道のり • Pathfinders/precursorsへのアクセス • Pathfinders: SKA仕様に現在最も近い装置 LOFAR, WSRT/Apertif (北半球) • Precursors: SKA建設地にある観測装置 MWA, AKSAP, MeerKAT (国際共同観測公募) • 日本(SKA-JP)での取り組み • 推進コミュニティーによるセンチ波天文観測の展開 • ソフトウェア・バックエンド・データベース開発への参入 • International SKA Science WGへの参加 • Cosmology, Galaxy evolution, Pulsars • Transients Science WG への加入は?

  22. Structure of SKA Japan consortium Adviser N.Sugiyama (Nagoya Uni.) Chair T.Handa (Kagoshima Uni.) Vice Chair H.Nakanishi (Kagoshima Uni.) K.Takahashi (Kumamoto Uni.) Industry Forum T.Kumazawa(TOYO) NAOJ liaison Y.Hagiwara(NAOJ) Engineering Working Group Chair H.Nakanishi (Kagoshima Uni.) Science Working Group Chair T.Takeuchi (Nagoya Uni.) Outreach K.Ichiki (Nagoya Uni.) Funding Procurement H.Imai (Kagoshima Uni.) DSP H.Nakanishi(K.U.) Magnetic field T.Akahori(KASI) AGN H.Ito(Kyoto U) Software T.Kurayama(Teikyo) High-z H.Hirashita(ASIAA) Pulsar O.Kameya(NAOJ) Wideband feed H.Ujihara(NICT) Astrometry H.Imai(K.U.) International SKA Pulsar SWG Astrochemistry • 126 members

  23. SKA-JP engineering activities • Octave band receiving feeds (H. Ujihara, K. Takefuji) • Broad band correlator • Make a spectrometer with ROACH Spectral channel allocation in Δlog(ν) step • Test on a new RX installed NRO 45 m telescope 早稲田大学那須観測所 →青木さん講演

  24. SKAに関する重要文献SKA-JP wiki:http://milkyway.sci.kagoshima-u.ac.jp/groups/ska-jp/ SKA Design Reference Mission (version 3 on 2012 May 28)SKA1 Baseline Design (version 1 on 2013 March 12)SKA memo 130, SKA1 Preliminary System Description At the entrance gate of the Murchison Radio Astronomy Observatory on 2013 February 15