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-lo３、 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-lo３、 SKA memo 142:　　 Optimum Frequency Range for PAF

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

・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

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 cosmicvariance より

干渉計分解能 = 波長 / 基線長視野 = 波長 / アンテナ口径

Technical Requirements

100kHz

Mpc7.1comoving

L

Inoue, Omukai & Ciardi, 2007

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？

Scientific Requirements

いろいろな研究の中での下限に近いもの

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。

要望のまとめ

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

目次１、イントロダクション２、 SKA memo 141:　　 Optimum Frequency Range for SKA1-lo３、 SKA memo 142:　　 Optimum Frequency Range for PAF

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 ）

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 ～ 5 EoR 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・・・。

EoR

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。

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。

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 evolution via 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)

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

SKADS Simulated Sky

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。

パルサー

相対論の検証： ultra-relativistic pulsar重力波観測： stable, high-precision millisecond 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∝ fFigure of Merit

高周波が圧倒的に有利

・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・・・

目次１、イントロダクション２、 SKA memo 141:　　 Optimum Frequency Range for SKA1-lo３、 SKA memo 142:　　 Optimum Frequency Range for PAF

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

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

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

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

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。

まとめ

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。