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南極高地からの 高解像度テラヘルツ天体観測 High Angular Resolution Terahertz Astronomy from Dome A Hiroshi Matsuo (ATC/NAOJ)

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南極高地からの高解像度テラヘルツ天体観測

High Angular Resolution

Terahertz Astronomy from Dome A

Hiroshi Matsuo (ATC/NAOJ)

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THz Observation

High Angular Resolution

THz Atmosphere

Intensity Interferometry

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The Most Distant z=9.11

Spectroscopic Identification

with [OIII] 88 mm

Hashimoto et al., Nature (2018)

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Urry and Padovani (1995)

1-10 arcsec

~0.1 arcsec

~0.001 arcsec

~0.01 arcsec

Angular Scales for 16 Mpc

Such as NGC1068

Structure of an AGN

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FIR atomic fine structure lines⚫ OI

– 63.185mm 4.745THz 5.0×105 cm-3

– 145.54mm 2.060THz 1.5×105 cm-3

⚫ OIII 35.1eV

– 51.815mm 5.786THz 3.4×103 cm-3

– 88.356mm 3.393THz 5.0×102 cm-3

⚫ NII 14.5eV

– 121.80mm 2.461THz 2.8×102 cm-3

– 205.30mm 1.460THz 4.5×101 cm-3

⚫ NIII 29.6eV

– 57.330mm 5.229THz 3×103 cm-3

⚫ CII 11.3eV

– 157.68mm 1.901THz 2.7×103 cm-3

Critical Densities

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FIR atomic fine structure lines⚫ OI

– 63.185mm 4.745THz 5.0×105 cm-3

– 145.54mm 2.060THz 1.5×105 cm-3

⚫ OIII 35.1eV

– 51.815mm 5.786THz 3.4×103 cm-3

– 88.356mm 3.393THz 5.0×102 cm-3

⚫ NII 14.5eV

– 121.80mm 2.461THz 2.8×102 cm-3

– 205.30mm 1.460THz 4.5×101 cm-3

⚫ NIII 29.6eV

– 57.330mm 5.229THz 3×103 cm-3

⚫ CII 11.3eV

– 157.68mm 1.901THz 2.7×103 cm-3

Critical Densities

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200um300um500um1mm

Atmospheric Windows from Atacama(alt. 4800m)

Matsushita, Matsuo et al. PASJ (1999)

OIII 88umz = 9.11

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AST/RO SPIFI

From the submillimeter astronomy group, Cornell University

Fabry-Perot

Spectrometer

5x5 bolometer

array

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[NII] 205 mm from South Pole

Atmospheric Transmission

only 3-6 %

Obserst et al. (2011)

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FTS in Dome A, Antarctica

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Terahertz and far-infrared windows

opened at Dome A in Antarctica

Annual and winter (April-

September) transmittance

spectra measured at Dome A

during 2010-11.

Shi et al.

Nature Astronomy (2016)

1 THz 2 THz 3 THz

0 THz 3 THz 6 THz 9 THz 12THz 15THz

Zenith T

ransm

itta

nce

Zen

ith T

ransm

itta

nce

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The Most Transparent Atmosphere

[NII]

1.5 THz

[OIII]

3.4 THz

[OIII]

5.8 THz

Ice Feature at 7 THz

August 9th 12-18h UTC, 2010Matsuo et al. APS (2019)

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Windows for [NII], [OIII] and

Ice Feature

August 9th 12-18h UTC, 2010Matsuo et al. APS in press

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Transmission at 4 windows

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Cumulative Analysis (Apr.-Sep.)

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Can we observe [OIII] 88 mm

at 3.393 THz ?

in July - August, 2010

Matsuo et al. APS in press

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The Most Transparent Atmosphere

[NII]

1.5 THz

[OIII]

3.4 THz

[OIII]

5.8 THz

Ice Feature at 7 THz

August 9th 12-18h UTC, 2010Matsuo et al. APS (2019)

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Malfait et al. (1999)

Water ice feature of HD142527 by ISO

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Structure of a protoplanetary disk

Dullemond and Monnier (2010)

Scales are for Taurus and Auriga region

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Heterodyne or Intensity ?

⚫ Start with heterodyne interferometry

– Shorter baselines, [NII]

⚫ Challenge with intensity interferometry

– Longer baselines, [OIII] and water ice feature

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

HD142527

Malfait et al. (1999)

Water ice feature

Hashimoto et al. (2018)

[OIII] 88mm

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Hanbury-Brown et al. (1974)

Diameter of 32 early-type stars

were measured.

Narrabri Stellar Intensity Interferometer

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Recorder

B > 1GHz

Recorder

B > 1GHz

Calculate correlation and delay

Long Baseline

Interferometry

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Amplitude

Correlation

delay

Correlation amplitude

Intensity

Correlation

Nobeyema Radioheliograph at 17 GHz

Ezawa, Matsuo et al. (2015)

[rad] 2

[s] 11

[Hz] Bandwidth

[Hz] Frequency

[K] eTemperatur System

[K] eTemperatur Antenna

*

A

sys

sys

*

A

t

T

Tt

T

T

=

=

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Experiment at 17 GHzwith Nobeyama Radioheligraph

⚫ Real Part

– (Intensity Correlation)0.5

⚫ Imaginary Part

– Δφ = 2 π ν Δt

Van Cittert

Zernike

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Requirements to Detectors

⚫ Sensitive to THz photons

– Photon energy ~10-21 Joule

⚫ Fast response

– 1 GHz bandwidth for 100 M photons/s

⚫ NEP(Noise Equivalent Power)

10-21 × (1 GHz)0.5

~ 10-17 W/Hz0.5

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NEP for photon counting

vs. time resolution

/ = 3

Matsuo and Ezawa, JLTP (2016)

SPICA

Our Target

NEP = Τh 𝜏

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2/e

V

I

h/e

Photon Assisted Tunneling

5.0pA 1for

Hz W/103

]Hz[W/ 2

]Hz[A/ 2

[A/W]

0

18

0

0

==

=

=

=

I

NEP

e

IhNEP

eIN

h

eS

SIS Photon Detectors

at 650 GHz

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Design Parameters

⚫ Nb-SIS 33 mm2 with Jc= 300 A/cm2

⚫ Rn ~ 100 W

– wRnCj ~ 150 at 500 GHz

– ~ 3 GHz

⚫ Parallel Connected Twin Junction

⚫ Twin-slot antenna and 50 W CPW

⚫ Readout using low gate leakage transistors

– GaAs-JFETs

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Antenna, CPW, PCTJ, Choke

An antenna-coupled Nb-SIS

photon detector at 500 GHz

fabricated in CRAVITY

PCTJ designed with SISMA

Shan et al. IRMMW-THz2018

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Experimental Setup Plan

Input Optics

Thermal Source

4K Cooler

0.8K Fridge

Cryogenic

Electronics

SIS-PC Recorder

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Interferometry from Antarctica

USGS image

Dome C

South Pole

Dome A

Dome F

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30Dor region andR136

◆[OIII] 88mm is observed widely distributed around R136Contour: MIPS 24mm

Kawada et al. (2011)

300 Mo stars

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Heterodyne or Intensity ?

⚫ Start with heterodyne interferometry

– Shorter baselines, [NII]

⚫ Challenge with intensity interferometry

– Longer baselines, [OIII] and water ice feature

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

HD142527

Malfait et al. (1999)

Water ice feature

Hashimoto et al. (2018)

[OIII] 88mm

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THz Observation

High Angular Resolution

THz Atmosphere

Intensity Interferometry