VSOP-2

電波天文分野の将来計画
国立天文台
阪本成一、井上 允

VSOP-2

電波天文大型計画
 ALMA

建設を開始したが、コミュニティーに今後大きなインパクトを持つ計画
 VSOP-2

予算要求のための提案準備
 SKA

ALMAに次ぐ大型国際計画。日本のコミット？
2

VSOP-2

装置の特徴
感度SKA

ALMA
波長域の開拓VSOP-2
解像度
3

VSOP-2

電波天文における発明・発見














宇宙電波 (1931年)
開口合成法 (1946年)
水素原子21cm線 (1951年)
銀河シンクロトロン放射 (1953年)
メーザー (1953年)
電波銀河 (1960年)
QSO (1963年)
マイクロ波背景放射 (1965年)
パルサー (1967年)
多数の星間分子 (1968年)
連星系パルサーと重力波 (1974年)
メガメーザーと巨大質量BH (1995年)
WMAPの宇宙論（2003年）



ほとんどの偉大な発見は、偶然幸運に得られた。

幸運な発見へと導いた装置は、その兆候を逃さないだけの十分な性能を持っていた。

4

VSOP-2

観測感度の向上5

VSOP-2

分解能と輝度温度

6

VSOP-2

分解能と周波数範囲

7VSOP-2解像度の比較

Lobanov, A.P. 2003, SKA Memo 38

8

VSOP-2

電波の放射メカニズム
超微細構造線(原子ガス・線)
再結合線(電離ガス・線)分子回転遷移線(分子ガス・線)

シンクロトロン放射(電離ガス×磁場・連続波)

自由-自由放射(電離ガス・連続波)

ダスト熱放射(固体微粒子・連続波)

9

VSOP-2

日本における電波の利用状況

10

VSOP-2ALMA
直径12m＆7mのアンテナ合計80台からなるミリ波サブミリ波干渉計。
 80-950GHzの大気の窓をカバー。
 0.01秒角の解像度。
 日米欧3極の国際協力。
 2002年建設開始、2012年本格運用開始予定。
 総建設費〜1000億円。
Atacama
Large
Millimeter/submillimeter
ArrayQuickTimeý Ç²YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

11Image courtesy of European Southern Observatory (ESO)VSOP-2

ALMA計画の全般的な状況
 米欧では建設予算が承認され、日本に先行して建設に着手 (2003年2月に2者協定書に署名完了)
 米欧の予算総額は752M$ (FY2000US$にインフレを考慮。米欧各459億円相当)
 日本は平成14-15年度で研究開発、平成16年度から建設予算を獲得 (平成16年度は約10億円で、8年計画で総額約256億円を予定)
 2004年9月14日に3者協定書への署名を完了⇒日本の参加が正式に認められた

12

VSOP-2

日本参加後のALMA③ インフラ・運用① ACAシステム② 受信機バンドの追加

13

VSOP-2

ALMA計画の年次計画
日本分担分2004 Q2 日本分担分の建設開始

2006 Q1 最初の試作FEを山麓施設に納品
2006 Q2 最初のACA 12mアンテナを山麓施設に納品
2007 Q1 最初のプレ量産FE (900GHz帯以外) を山麓施設に納品
2007 Q3 ACA 12mアンテナを単一鏡モードで使用した初期運用開始
2007 Q4 最初のACA 7mアンテナを山麓施設に納品
2009 Q3 ACAシステムの初期運用開始
2012 Q1 ACAシステムの本格運用開始

米欧分担分
2003 Q4 チリでの第1期工事着工
2005 Q1 BEを山頂施設に納品
2005 Q2 チリでの第1期工事完了
2005 Q2 最初のアンテナ搭載BEを山麓基地に納品
2005 Q4 最初の量産アンテナを山麓基地に納品最初のFEを山麓施設に納品

2007 Q3 初期運用開始

2011 Q4 建設完了
2012 Q1 本格運用開始
14

VSOP-2

ALMAの装置性能の特徴
 サブミリ波 高い感度

大集光面積：現在のミリ波干渉計の16倍
低雑音受信機群：量子限界に迫る
高い大気透過率：高い標高、乾燥した気候⇒総合的に2桁の感度向上
 高い撮像能力

最高2桁の解像度向上
広視野モザイキング可能高いイメージフィデリティ
15

VSOP-2

ALMAで狙う研究テーマ

16

VSOP-2

大気の底から17

Image courtesy of IPAC/NASA

VSOP-2

新たな受信機バンドの追加
サブミリ波を含む「大気の窓」をほぼカバー

バンド4バンド3

8
67

109（日本）（米欧）

18

VSOP-2感度と解像度の比較

19

VSOP-2

Enabling Technology I: sensitivity – Arp 220 vs z (FIR=1.6e12 L_sun)

cm: Star formation,
AGN(sub)mm Dust,
molecular gas

Near-IR: Stars,
ionized gas, AGN

20

VSOP-2
Very wide field surveys: role of bolometer cameras

 Bolometers (+ EVLA,Spizter): survey large areas
to sub-mJy sensitivity
 ALMA: detailed SED and
CO follow-up
 ALMA: uJy, narrow fieldsurveys21

VSOP-2

コンパクトな天体に対する感度(8時間積分、5σ)

22

VSOP-2

スナップショットの感度(0.1秒角、1分積分、5σ)
輝 線 (1 km s-1)

連続波

周波数(GHz)Tsys(K)

点源 (mJy)

輝度 (K)

点源 (mJy)

輝度 (K)

10070

0.21

2.50

31.7

388

137

84

0.25

1.60

32.5

212

230

167

0.50

1.16

51.2

118

350

327

1.03

1.03

85.0

85490

1151

3.93

2.00

275

140

650

1348

5.23

1.52

318

92

900

1556

7.90

1.2040962

携帯サイト： http://www.nro.nao.ac.jp/alma/
23

VSOP-2

視野と解像度
解像度は(観測波長)/(最大基線長) に比例
配列を変えることにより、
 コンパクト配列
 広がった配列→ 低解像力、高感度→ 高解像力、低感度最大配列でサブミリ波観測→0.01”の分解能 (現在のミリ波干渉計の100倍)24

VSOP-2

視野の比較
HST

ALMA

WFPC2100GHz
350GHz60"

850GHzSUBARUIRCS (wide)

COMICS

CIAO

AO(full)(high-res.)25

VSOP-2

SKA 21cm

SKA 6cmHST

ALMA

WFPC2100GHz
350GHz60"

850GHzSUBARUIRCS (wide)

COMICSCIAO

AO(high-res.)(full)

26

VSOP-2

地上サブミリ波観測の特徴
 惑星やダストからの熱放射の検出 (連続波) 気相分子・分子イオンの定量 (輝線・吸収線)
 高い分光性能 (λ/∆λ=107)
 10-100ms-1程度のガスの運動の検出
 定常観測・モニタ・多数の天体の調査
 日中の観測が可能

27

VSOP-2

VLBI
VSOP-2SpaceOrbservatory
 世界初のスペースＶＬＢＩミッ Programme
ションVSOPの次期計画
 高周波（8, 22, 43 GHz）、高分解能（~38 μas）、高感度を目指す
 AGNのSMBH、降着円盤、ジェット生成や、原始星円盤の磁気圏の解明
 緊密な国際協力

28

VSOP-2

Disk around AGN
pc scale disk seen by freefree absorption

High resolution at lower
frequencies is required

Jones et al. (2000)

29

VSOP-2

巨大ブラックホールの光と影光 降着円盤の物理

標準円盤、ADAFモデル

面密度ー質量降着率図30

VSOP-2

降着円盤モデルとの比較

ジェットの寄与を除くことが重要
ー＞ 高分解能イメージングが必須！
左： M８７のADAFモデルとの比較。黒丸はVLBI観測でジェットの寄与を少なくしたもの。右：Sgr A*のRIAFモデルとの比較。（RIAF: Radiatively Inefficient Accr. Flow）
31

観測可能性

VSOP-2近傍20 Mpc内にある低光度AGNについて、SMBH質量と電波光度を示した。
薄いハッチはVSOP-2とVLBA (25m)との検出限界、濃いハッチはVSOP2とGBT (100m)との22GHzの検出限界。
少なくとも10天体が検出でき、その内の半分が ≤100 rgで分解可能。
32

VSOP-2

巨大ブラックホールの光と影
影
黒い「影」の視認
傾斜角a-c: 20°、g-I: 45°のモデルで、スピンパラメーターが異なる。
d-f、j-l はそれぞれのモデルをVSOP-2で観測した時のシミュレーション。M８７を想定。
SMBHの回転検出は困難だが影の検出は可能。
高橋、嶺重より

33

VSOP-2ジェットの加速

QuickT imeý Ç² YUV420 ÉRÅ[ÉfÉb ÉN ê Lí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç± ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾ å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

磁気遠心力による加速、およびコリメーション
Radiation pressure?

HelicalB-Movie 34

VSOP-2

Protostellar Accretion disk andmagnetosphere

35

Protostar magnetosphere

VSOP-2

Non-thermal emission from themagnetosphere of YSOs
Correlation with X-ray flare
Gyro synchrotron emission

VSOP-2 :1.2Ro(@150pc)

Bower et al.(2003)
Hartman(1998)▼ Without phase-ref▼ With phase-ref36

VSOP-2, VSOP, VLBA の比較
VSOP-2VSOPVLBA

Antenna diameter

9m8m

25 m

Apogee height

25,000 km

21,400 km-1day

Orbit period

7.5 hour

6.3 hourPolarization

LCP/RCPLCP

LCP/RCP

Data downlink

1 Gbps128 Mbps

512 Mbps*Observing Freq. (GHz)8, 22, 43

1.6, 5, (22)5, 8, 22, 43, 86

Highest resolution

38 μas360 μas96 μasSensitivity （5/8 GHz)

22 mJy158 mJy

7.9 mJy

39 mJyNA

23 mJy9.1 mJy--

5.3 mJy(22 GHz)(22 GHz with phase-ref.)( 1.5hour integration）
LaunchFY2010 (target)

Feb.1997

Assuming that the space VLBI baseline is created between the satellite and VLBA 25m.

VSOP-2

VSOP-2 satellite antenna

A 9-m offset Cassegrain antenna with modulus structures
Light weight and high accuracy with hoop and lib
Main & sub reflectors adjustable

38高精度アンテナ
A total surface accuracy of 0.4mm rms
is expected
0.21mm rms was achieved for half scalemodel of 1 module (2003FY)
Real scale model of 1 module test (2003,2004FY)

VSOP-2

年次計画
2004
2005
2006-2007
2008-20102010-2011
2011 2 月
2015

プロジェクト提案
概算要求
PMFM
フライトオペレーション
打ち上げ
運用終了（5 年以上の運用期間）
40

VSOP-2

Mizusawa 20m (VERA)
And 10m (NAO)

VLBIstationsinEA

Shin-totsukawa 3.8m
(GSI)

Yamaguchi 32m(NAO/Yamaguchi-U)

Tsukuba 32m(GSI)

Gifu 3 m and 11m(Univ. Gifu)

Tomakomai 11m
Hokkaido-Univ.

Usuda 64m
(JAXA)

Kashima 34m & 11m

Kisawa10m(NICT)(GSI)

Nobeyama 45m

Iriki 20m
(VERA/NAO)(NAO)

Koganei 11m(CRL)
Kagoshima 6m(Univ. Kagoshima)

Uchinoura 34m(JAXA)

Ishigaki 20m(VERA/NAO)

Chichijima 20m(VERA/NAO)

Chichijima 11m
(GSI)

41

VSOP-2

Scientific Targets
 Physics of accretion disk of AGNs

Standard model, ADEF, others?
 Black Hole shadow

visualized image?
 Acceleration of jetsmagnetic field working?
 Activities of protostellar disk

accretion disk and magnetosphere?
42

VSOP-2

SKASquare
Kilometer
Array

1km2の集光面積。
(www.skatelescope.org)
 0.1-25GHz。
 15か国の国際協力。
 2006年サイト決定、2008年デザイン決定、2015年部分運用開始、2020年本格運用開始予定。
 総建設費〜1000億円。
43

VSOP-2

History of IGM

Epoch ofReionization (EoR)• bench-mark in cosmic
structure formation
indicating the firstluminous structures• ended ‘dark ages’
44

VSOP-2

Current scientific drivers•Dark Ages and Epoch of Re-ionization– ionization of neutral IGM– properties of first luminous objects•Large Scale Structure in the Universe– dark energy as function of redshift• Evolution of galaxies- genesis of black holes- star formation rate
•Probing Gravity through pulsars– black hole binary as probe of strong gravity– low-frequency gravity wave background•Origin and evolution of Cosmic Magnetic Fields– large scales, primordial fields– small scales, turbulence & dynamos•Transient universe•Protoplanetary disks45

VSOP-2

SKA Development Plan
2000-7 technology prototyping
2004-5 site testing
2006

selection of site, major external review of design

2007

prepare funding proposal for 5% demonstrator

2008

selection of technical design (may be a combination)

2009

start construction of 5% demonstrator on selected site

2010

submit funding proposal for full array

2012

start full construction

2020

complete construction

46

VSOP-2

SKA the Context:
radio imaging arraysν 0.03

Year
2000

0.1

0.3

13

1030

BIMA
Nobeyama
IRAM

VLA

GMRT
2005

2010

CARMA
LOFAR

ATA

ATCA
EVLA-Ix10

2015

100GHz

SKAx100

ALMAx100

Management structure

VSOP-248

VSOP-2

Current SKA specificationsSensitivity
Surface brightness sensitivity
Frequency range
Redshift coverage
Imaging field of view
Multi-beam capability within FoV
Angular resolution
Number of spatial pixels
Instantaneous bandwidth
Number of spectral channels
Image dynamic range
Polarisation purity

Aeff/Tsys= 2 x 104 m2/K
1 K at 0.1 arcsec (continuum)
0.15 – 22 GHzz < 8.5 (HI); z > 4.2 (CO (1Æ0))
1 deg2 at 1.4 GHz
Nbeams > 100< 0.015 arcsec at 1.4 GHz (> 3000 km)> 108
0.5 + frequency/5 GHz> 104106-40 dB49

VSOP-2Site• Initial site analyses submitted by Australia, China, South Africa,and USA in May 2003, and by Argentina and Brazil in March 2004
• Formal Request for Proposals to be issued in July 2004, due 31
May 2005. Decision 2006
• RFI testing at candidate sites in 2004-5, calibrated by ASTRON
team under contract to the ISPO
configuration
20% of total collecting area within 1 km diameter,
50% of total collecting area within 5 km diameter,
75% of total collecting area within 150 km diameter,maximum baselines at least 3000 km from array core50

VSOP-2

Australia51

VSOP-2

Australlia #152VSOP-2(Landsat)

KARST

SKAinChina 53

NxArecibo

VSOP-2

Karst region for arrayof large Arecibo-likeTelescopes
D > 200 m54

VSOP-2•150-200m diameter stations•large F/D•focal platform supported by aerostat
height=500 m•almost flat panels•150 MHz to 22 GHz•DRAO, U Calgary

55

VSOP-2

LAR Prototyping

Instrument Package
Anemometer
GPS antenna•Focal Plane Array package
covering 0.7-1.4 GHz• RF Feed design• Beam forming• Reflector actuators
56

The ATA in 2005

VSOP-257

VSOP-2

Mass-produced parabolas:
the Allen Telescope ArraySETI Institute UC Berkeley
 100 m equivalent 350 x 6.1 m parabolas
 0.5-11 GHz(simultaneously)o 2.5 FoV at 1.4 GHz 4 simultaneous beams
 206 antennas in 2005
58

VSOP-2

Large N: Inexpensive Antennas

Large-N/Small-D
12 m Hydroformed Dishes
Offset Gregorian Symmetric Cassegrain

Wideband
Cryogenic
Feeds & Receivers

59

VSOP-2

Thousand Element Aperture Array:
ASTRON, NL

60

VSOP-2

funding
1. prototype development phase to 2007: ~ 30 M€ (Australia,Canada, China, India, NL, US)+ 65 M€ (LOFAR) + 20 M€ (Allen Telescope Array, USA) + 5 M€
(NASA Deep Space Network)(+ FP6 Design Study (Europe) and TDP (US) if successful)
2. global demonstrator/SKA phase 1 (2008-2011): 50-100 M€
3. full construction (2012 - 2020): ~1 B€ (~1000 €/m2)• 40% Europe• 40% USA
• 20% Australia, Canada, China, India, Japan,
South Africa, ……
61

VSOP-2

我々はどうする？
SKAサイエンスミーティング：04/11/12
・何が面白そうか・どう関わるか議論が必要
http://alma.mtk.nao.ac.jp/~iguchi/SKA/
SKAScienceMeeting20041112.htm

62