ALMA時代の大型ミリ波サブミリ波単一鏡

宇宙電波懇談会シンポジウム
Japan Radio Astronomy Forum symposium
January 27 – 28, 2015; NAOJ Mitaka, Japan
ALMA時代の大型ミリ波サブミリ波単一鏡 Large mm/submm single dish telescopes in the ALMA era
河野孝太郎 KOHNO Kotaro 日本の地上光赤外線分野の戦略
「すばる」でサーベイ HSC+PSF, Ult.-‐Subaru SUBARU
TMT
● すばるで発見された面白い
ターゲットをTMTで追求観測。 ● 新しい「ディスカバリー・スペー
ス」の開拓
•  電波天文学分野の戦略は？圧倒的に深く、高解像度で
時間軸天文学
より深く、より広く
可視光での掃天観測の現状
深い
HSC
By Oguri
& Takada
浅い
狭い
広い
Mm/submm imaging surveys
浅い @z=2, Tdust=35K
ALMA
深い
Kohno+
Dunlop+
※confusion??
SXDF
+Lockman
GOODS-N
AzTEC
16/28
arcsec
GOODS-S
COSMOS
ADF-S
+ SXDF
+ SSA22
?
SPT
θ~1 arcmin
1,700
HerMES/H-ATLAS
36 arcsec
170
SCUBA
HDF
17
狭い
広い
(1σ)
Star formation rate [M¤/yr]
FIR luminosity [L¤]
(1σ)
※Different at z>4
Oliver et al. 2012,
MNRAS 424, 1614
＋河野改訂
ALMA時代の次世代大口径広視野単一鏡計画
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LMT 50m (INAOE, UMASS) 運用開始（但し、まだ30m） CCAT 25m (Cornell, カナダ・ドイツ他) 南極 10m（筑波大、東北大、NAOJ他） LST 50m (NAOJ＋大学連合＋α) LST50m
LMT50m
CCAT25m
ASTE10m
Large Millimeter Telescope (LMT)
•  Volcan Sierra Negra (標高4,600m)＠
メキシコ •  現状32m、2016年に50m化 –  鏡面精度59μm rms (April 2013) –  AcSve surface control (Oct. 2013-‐) –  PoinSng accuracy: <1” (Vwind < 5m/s) –  Field of view: 4 arcmin diameter (vertex hole limited) entrance
•  July 2014に3回目のcall for proposal
LMT receiver cabin
•  11m x 11m wide (!) •  Only AzTEC and RSR currently •  OpScs box will be implemented
RSR
TerSary mirror
AzTEC
Redshib Search Receiver (RSR)
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2 beam, dual polarizaSon 30 MHz resoluSon (~100km/s) 73-‐111 GHz (38GHz) covers w/o spectral scan Noise temperature < 50K between 73-‐111GHz hhp://www.lmtgtm.org/
AzTEC on LMT
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1.1mm 144 pixel NTD-‐Ge array FWHM: 6 arcsec! FoV: 2.4 arcmin2 まだまだ狭い。 hhp://www.lmtgtm.org
CCAT25m計画
hhp://www.ccatobservatory.org
•  南米アタカマの高地（Chajnantor山頂、標高5600m
付近）に、口径25mのサブミリ波望遠鏡を設置し、
星・銀河・銀河団の起源に迫ろうとするプロジェクト。 •  サイトの良さを活かし、200μmバンドまでの観測を
実現するとともに、最大1度角の視野と最新の検出
器技術による観測装置群により、ALMAと相補的か
つ親和的なdiscovery spaceを持つ（“powerful discovery instrument”）と期待される。 •  建設時から参加するなら今が好機。 –  また、完成してから望遠鏡時間を買えばよい・・・のか？
hhp://www.ccatobservatory.org/docs/pdfs/Proj%20DescripSon%20minus%20budget%20para_12Mar14.pdf
LMT/CCAT計画参入への魅力・観点（1）
•  ALMAで優れた科学的成果を挙げ続けていく上
で、このような最先端の大型サーベイ装置への
アクセスの有無は死活問題。 –  ALMAの初期科学運用でも、Herschelを含めた地上・
スペースからの単一鏡による広域サーベイの結果発
見された興味深い天体の追求観測から大きな成果に
つながっている例は枚挙に暇が無い。 •  既存の10-‐15m級望遠鏡（やHerschel 3.5m）を格
段に（特に銀河サーベイでは、質的に）凌駕。 –  現状の10-‐15m級望遠鏡によるmm/submmサーベイ
はsource confusionによる壁。
SWCam (1st light instrument)
PI: Gordon Stacy (Cornell大) SWCamによるdeep survey sensiSvity
1平方度を掃くと？ è 1mmでALMAより0.5桁、350μmでは2桁深い。
SWCamによる星形成領域サーベイ
Spitzer/Herschelでの 8μm, 24μm, 70μmの 3色合成画像。 350μmで同等以上の解像度（6”）の高速マッピングを実現。 Herschelから5倍深いCMF
LMT/CCAT計画参入への魅力・観点（2）
•  野辺山・ASTE・ALMA/ATC等で培って来た、ミリ波
サブミリ波観測装置や望遠鏡の開発技術を継承・
発展させ、さらに将来につなげていく上で、LMTや
CCATに建設段階から関与するチャンネルを持つこ
との意義は大きい。 –  新たなdirect detectorによる超広帯域・多天体分光器
（ミリ波サブミリ波版MOS）やヘテロダイン受信機アレ
イ・THz受信機などの貢献も •  若い世代に、最先端の技術に触れ、その実現の
ための現場に飛び込むという貴重な経験を積む
場を与えることができる。 –  既存の“枯れた”望遠鏡・装置の観測時間を買うことで
は得られない経験もある。
超広視野広帯域大口径ミリ波サブミリ波単一望遠鏡
超広視野広帯域大口径ミリ波サブミリ波単一望遠鏡
Large Submillimeter Telescope (LST)
•  口径：50m (鏡面精度 45µm rms.)
•  超広視野：0.5 deg Φ (up to 1 deg Φ)
•  周波数：70 GHz (4 mm) – 420 GHz (0.8 mm)
+ up to 1 THz (0.3 mm), 鏡面の一部のみを使用
•  基幹装置：超広視野多色連続波カメラ、多画素超広帯域低分散分
光装置（ミリ波サブミリ波版HSC + 多天体分光装置）、
+ 多画素広帯域高分散（ヘテロダイン）受信機
•  主要推進機関と推進体制：国立天文台＋大学連携＋国
際連携
•  NRO45m鏡、ASTE10m鏡の後継機として、我が国（＋東
アジア?）における電波天文学研究コミュニティーの基盤
装置としての役割も担う。
超広視野広帯域大口径ミリ波サブミリ波単一望遠鏡
Large Submillimeter Telescope (LST)
広範なサイエンスの開拓 1) 宇宙再電離期までのダストに隠された銀河分光カタ
ログの作成と、それに基づく、暗黒物質分布の根幹
およびそこでの銀河・銀河団の形成過程の解明。 2) ミリ波サブミリ波帯でのSme domain scienceの開拓。 3)インフレーションの証拠探しの信頼度の格段の向上。 4) スニヤエフ・ゼルドビッチ効果を利用した、銀河団の
物理過程の解明。 5）星・惑星系領域における形成初期段階の天体の発
見とその物理化学的性質・物質進化史の解明。 6) sub-‐mm VLBIによるBH形成研究、一般相対論検証
NRO45m, IRAM30m, LMT, LST, & CCAT
600 CorrecSng Area (arbitrary scale )
500 集光面積（arbitrary scale)
川辺良平さん資料からポスターも参照
LST 50m, 45μm 5000m, -‐21 deg
70 -‐ 700 GHzで最大集光力 400 LMT50m 75μm
300 (参考) 30m, 25μm NRO 45m 150μm 1350m
200 IRAM30m 70μm 3000m 100 CCAT 25m, 15μm 5600m, -‐21 deg
0 1000 10 1100 00 1000
10 -‐100 Observing Frequency (GHz)
Large Submm Telescope (LST)
•  70GHz – 420GHz帯での大集光力＋高い分光
撮像サーベイ能力 è 宇宙再電離期の[CII]や
CO輝線の無バイアス探査は、CCATでは苦しく、
LSTで初めて本格的に切り込むことができる。
シミュレーション：田村陽一
Tamura, Y., et al. In prep. Number counts (Super-‐DESHIMA/LST 50m) RSD
70-‐370 GHz 300 beams 1,000 hours 2 deg2
EoR
Npix=100
Npix=300
赤方偏移 >2で RSD測定
輝線銀河の系統的探査＠再電離期
Tamura, Y., et al. In prep. Number counts (X-‐Spec/CCAT) RSD
Npix=100
Npix=300
EoR
Large Submillimeter Telescope
川辺、田村、大島、石井、荒井、河野、他WG（田村陽一さん作成ポスター参照）
Large Submillimeter Telescope
川辺、田村、大島、石井、荒井、河野、他WG（田村陽一さん作成ポスター参照）
▼ FIGURE | The target observing frequencies of planed
operation conditions (0th—3rd) and atmospheric transmission
curves.
OC2
OC2
OpScal Design for wide FOV
Richey-‐ChreSen OpScs for D = 50 m main reﬂector Lyot-‐Stop at Sub-‐refrector: DeﬀecSve ~ 46.7 m FoV ~ 0.7 deg. at 850 μm achievable -‐ large mirrors Dsub-‐ref ~ 6.2 m #3 mirror ~ 7 m -‐ huge RX cabin (big impact on telescope mechanical structure) -‐ No aperture plane 竹腰達哉さん、 @main reﬂector 大島泰さん（NRO）ほか
今、アンテナ研究が面白い
•  次世代大口径ミリ波サブミリ
波・電波望遠鏡のデザイン
競争は既に始まっている！ –  稲谷さんの案も
Karcher & Baars 2014, SPIE, vol. 9145, 914503-‐1 hhp://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?arScleid=1888832 Padin, S. 2014, Applied OpScs Vol. 53, 4431 hhp://
www.opScsinfobase.org/
ao/abstract.cfm?
uri=ao-‐53-‐20-‐4431
"
"
"
"
 
 
 
 
LARGE APERTURE (D = 50 m)
WIDE FIELD OF VIEW (Φ > 0.5 deg)
LONG-SUBMM/MM FREQUENCY BAND
SURVEY-ORIENTED
ミリ波サブミリ波版超広帯域分光器
325 – 905 GHz (Endo et al. 2011) 6 beams
ミリ波サブミリ波版
多天体分光器
MOSAIC
光赤外では： X-‐Shooter on VLT
•  波長範囲 0.3μm – 2.5μm (!) を一網打尽にワン
ショットで分光（R = 4,000-‐17,000）è low-‐zならHα、
high-‐zならLyαでredshibを狙い撃ち X-‐Shooter spectrum of quasar B1422+231 (z=3.62), 4800 sec Vernet et al. 2011, A&A, 356, 105
光赤外では： MUSE on VLT
•  視野1’x1’の範囲を、波長
範囲 0.465 – 0.930μm (R=2000-‐4000) で一挙に
多天体分光（面分光） hhp://www.eso.org/sci/faciliSes/develop/instruments/muse.html
ALMAはもちろん「面分光」。ただし視野と •  è 幅広い赤方偏移範囲 ※ 一度に分光できる波長範囲（特にredshib の[OII]やLyα輝線銀河を換算とすると）が（MUSEよりは）狭い
一網打尽
HDF-‐S, 27 hours (on-‐source) on Bacon et al. 2014 (arXiv:1411.7667)
1’x1’ FoV è 189 redshibs MUSE HST HST F606W F814W cont.
1”
Lyα emiher z=5.08
Wavelength (Å)
MUSE Lyα
"   LARGE APERTURE (D = 50 m)
電波の伝統的な強みであるヘテロダイン（高
"   WIDE FIELD OF VIEW (Φ = 0.8 deg)
分散分光）に加えて低・中分散・超広帯域分
"   LONG-SUBMM/MM FREQUENCY BAND
光能力（多天体分光・面分光能力）も強化で
"   SURVEY-ORIENTED
きればミリ波サブミリ波の魅力がさらに増す
ミリ波サブミリ波版超広帯域分光器
(Endo et al. 2011)
ミリ波サブミリ波版
多天体分光器
MOSAIC
ALMA時代の次世代大口径単一鏡：考えられるロードマップ（叩き台の叩き台）
2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027
TMT建設
TMT運用
45m@3mm
どこまで行ける？
ASTE運用
いつまで行ける？
（50m化？鏡面高精度化？）
CCAT建設？
どこまで早く開始できるか？
【南極10m望遠鏡との連携も重要】
LMT運用
CCAT運用？
LST建設？
運用？
ノウハウ・経験のフィードバック【SKA開始は？】
広く議論＋タイムリーに具体的な検討を。
•  LST計画については有志WGで技術検討開始。 •  サイエンスの検討もWGを結成・進めようとしている。 –  南極望遠鏡グループとも情報共有・連携して検討。 •  CCATについても、有志を募って検討？ –  向こう半年〜1年のスケールで、電波専門委員会での優
先順位の議論が進行中（Mopra・CARMA等も） –  45mも、2015年の夏までに、今後の方向性について検討・
評価が行われる（電波専門委員会のWG）。 •  45mやLMT, CCAT, LSTなど、ALMA時代に必要な大口
径単一鏡と要素技術（アンテナ/検出器/分光器他）
について、コミュニティーで広く議論・検討を。電波は色々やりすぎ？まずALMAでスゴい成果（他の分野が
納得するような成果）を集中的に挙げていくことが大前提！
The 3rd workshop on Large Aperture Submm Telescopes in the ALMA Era
hhp://www.ioa.s.u-‐tokyo.ac.jp/~ytamura/WS/LSTWS2015/
2015年3月10日-‐11日＠国立天文台コスモス会館
Joaquin Vieira (Illinois) ”SPT" David Hughes (INAOE) ”LMT" 一般講演 Gordon Stacy (Cornell) "CCAT" ポスター Ryohei Kawabe (NAOJ) ”LST" 募集します
Satoki Matsushita (ASIAA) ”GLT" Mareki Honma (NAOJ) ”EHT" Akira Endo (Delb) "MKIDs & detector technology" Junji Inatani (NAOJ) "antenna technology" Satoshi Yamamoto (University of Tokyo) "astro-‐chemistry" Fumitaka Nakamura (NAOJ) "magneSc ﬁelds in star forming regions" Tomonori Totani (University of Tokyo) "Fast Radio Bursts/GRBs" Kazuo Sorai (Hokkaido University) "local galaxies" Yoichi Tamura (University of Tokyo) "galaxy evoluSon" Toshihiro Kawaguchi (NAOJ) "massive black holes" Keitaro Takahashi "SKA & cosmology” Masaomi Tanaka (NAOJ) "HSC/GravitaSonal wave objects” Shibai Hiroshi (Osaka; TBC) “SPICA” Toru Yamada (Tohoku; TBC) “WISH” Min S. Yun (UMASS; TBC) “workshop summary”

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