水沢VLBI観測所ユーザーズミーティング 2015年9月

SKA アストロメトリ・時空計測の検討状況（国際・国内）
1.SKA VLBI Working Group 報告
2.SKA-JP Astrometry sub-WG 報告
今井 裕
鹿児島大学学術研究院理工学域理学系
SKA-JP Astrometry sub-WG

国内におけるSKA VLBI/アストロメトリに向けた取り組み• 2008年 SKA-JP発足• 2009年 SKA-JP Astrometry sub-WG発足
GASKAP (Galactic ASKAP Pathfinder) チーム形成、参加• 2010年 Sub-WG wiki 立ち上げ、国内研究会で提案開始• 2011年 SKA&VLBIの会合で活動報告@Perth• 2012年

JSPS頭脳循環事業・特定国派遣事業： 豪州派遣
Automatic source finding simulation 実施 (for GASKAP)
sub-WG初回会合• 2013年

マゼラン銀河固有運動観測(H2O masers with LBA)へ参加
SKA関係初の科研費課題採択• 2014年 星周OHメーザー源アストロメトリに着手• 2015年日本版SKA Science Book 第7章執筆 …..英語版執筆へ
星周OHメーザー源年周視差検出（preliminary）

海外におけるSKA VLBI/アストロメトリに向けた動き– 2003年 SKA Office 発足 (R. Schilizzi)@Dwingeloo– 2009年 ICRAR (UWA/Curtin)発足, GASKAPチーム発足– 2010年 EVN Symposium: EVN = SKA-VLBI pathfinder– 2011年 SKA機構@マンチェスター発足
SKA Memo No. 135 (Godfrey et al.) パースでSKA/VLBI研究会– 2012年 マゼラン銀河研究会（Lisa Harvey-Smith氏がASKAP Project Scientistに）– 2013年 Transformational Science with the SKA @南ア(Jimi Green氏がSKAO PSの一人に）– 2014年 SPLASH (Southern Parkes Large Area Survey for Hydroxyl)初期成果
VLBIと天の川銀河を主題とした討論会@Leiden
Focal Group発足(VLBI & Milky Way)SKA Science Book 研究会開催@Sicily– 2015年
SKA1 re-baselining: SKA1-SUR中止、SKA1-MID&LOW 縮小（70%）
JIVE-ERIC発足、 SKA VLBI Working Group 発足(Chair: Z. Paragi, C. Reynolds)
SKA Key Science Workshop @Strockholm

SKA-VLBI Working Group members in the
SKA KSW2015 (in Stockholm)
Z. Paragi, C. Reynolds (co-chair), …, H. Imai (core member)参考： VERA予算化・科学運用まで —10年以上の歳月—• 1988年： 国立天文台発足– VERA (VLBI for Earth Rotation and Radio Astrometry)起想• (1994年: 今井M1で天文台受託研究員へ)• 1996年： 国内地上VLBI統一計画– VSOP の後に VERAの実現• 1997年: 「はるか」打ち上げ、VSOP科学運用開始• 1998年: 「VERA推進室」＠三鷹発足• 2000年: VERA概算要求予算化（３局分）• 2001年: VERA概算要求予算化(石垣局分）• 2003年: VERA科学運用開始

SKA-JP 2008年➡️SKA Phase 1: 2020年、Phase 2: 2025年「若者が参加しなければプロジェクトは動かない」(2011年 竹内峯 談)

SKA Science Book (2015)等に見られる関連記述• SKA Science Book
– VLBI with the SKA (Paragi et al.)– Maser astrometry with VLBI and the SKA (Green et al.)
 Galactic maser sources– SKA tomography of Galactic star-forming regions and spiral arms
(Loinard et al.)  YSO non-thermal sources– OH masers in the Milky Way and the Local Group of galaxies(Etoka et al.)– Three-dimensional tomography of the Galactic and extragalacticmagneto-ionic medium with the SKA (Han et al.)  pulsars– 他AGN、YSO関係複数• 関連重要文献– Secular Galactic aberration (Titov et al. 2011)– Annual parallaxes in pulsar timing (Smits et al. 2011)

SKA Science Use Cases
SKA仕様要求はScience Use Case の事例に基づく
Science Use Case  Engineering Change Request?
Feedback, cost cap (re-baselining) →希望通りに行かない
次回提案提出期限は９月２５日• Parallax measurement of Southern Hemisphere pulsars(Ptolemy et al.)• A Deep Multi-Frequency VLBI Polarimetric Survey of AGN(Agudo et al.)• Resolving ultra-relativistic outflows in Gamma Ray Bursts:
SKA-VLBI observations of GRBxxxxxx (Paragi et al.)• Galactic Structure using maser parallax measurements(Ellingsen et al.)  SKA1-MID Band-5• Exploration of the dynamics of the Galactic Bulge using OH
maser parallax measurements (Imai et al.)
SKA1-MID Band-2, will be submitted

日本版SKA Science Book (2015)
第7章 「近傍宇宙時空計測」
著者（アルファベット順）– Burns, Ross Alexander (鹿児島大学– 戸次賢治（ICRAR/西オーストラリア大学）– 郷田直輝（NAOJ JASMINE推進室）– 今井 裕 (鹿児島大学）
SKA-JP– Orosz, Gabor（鹿児島大学）
Astrometry– 亀谷 收（NAOJ 水沢VLBI観測所） sub-WG– 新沼浩太郎（山口大学）
17名– 辻本拓司（NAOJ JASMINE推進室） (2015年3月現在）– 矢野太平（NAOJ JASMINE推進室）– 山田良透（京都大学）

Scientific scope in SKA astrometry
https://mwg.sci.kagoshima-u.ac.jp/wiki/pages/29D1_3A3/SKA-JP_Astrometry_Sub_Working_Group.html

Radio astrometry from present to future

Present (~2030?)• VERA(4 x 20m)
• VLBA(10 x 25m)
• EVN(~15 antennas)• HSA(VLBA+GBT+Ef)• LBA(5-6 antennas)<2000 annual parallaxes

Near future (2020?~)• SKA1 (~90 x 15m) (70% of Full)+ global VLBI (~10 x ~20m)• SKA2 core (~700 x 15m)+
SKA2 remote stations (??)(~40 sta. x 25 ant. x 15m)
+ global VLBI (~10 x ~20m)>>10 000 annual parallaxes

Not only number but also diversity of astrometric targets
However, feasible, realistic, and transformational?

Possible science cases in SKA era• “Spiral arm tomography” in the Milky Way– finding chronological sequence of star forming regions
across the spiral arms : >1 000 stars/arm– including southern Sky where SKA is operated• Mapping the whole Milky Way System– Galactic center, bulge, and halo (including pulsars)– Magellanic System (LMC & SMC proper motions)• 3D dynamics of the Local Group of galaxies– dynamical history of the LG and the MW• Science with the radio reference frame– ~30 000 reference sources (Sν > 0.5 mJy)
– “Galactic aberration” (50 μas/century)– astrometric micro-lensing events• Synergy with pulsar and transient science cases– gravitational waves, ….

Milky Way Spiral Arm Tomography
Influence of the density wave
ISMDensity wave

tevol
Old (106 yr)(non-thermal continuumsources)

Medium (105 yr)(OH masers/RRL sources)

Young (104 yr)(CH3OH masers)

devol
By Ross Burns (edited)

ΔV = devol / tevol

Influence of the density wave:
The Spiral pattern speed

ΘPΔV
ΘISM

Θp = ΘISM - ΔV

Θp = ΘISM + ΔV

Feasibility of the Spiral Arm Tomography
Lorentz Center Workshop —Galactic Science with the SKA & Its Pathfinders on 2014 May 19—23(Green et al. 2015)現在： ○渦状腕が見える○天の川銀河の力学パラメータ(R0, Θ0)が決まる

25 pc メッシュで天の川銀河面の星形成領域の配置を把握する

測量電波源の前後にある星形成領域の距離推定
再結合線・分子スペクトル線の輝線・吸収線利用
SKA1アストロメトリ:
100 pc メッシュでの測量
南天もカバー

Reid et al. (2014)

現測量事業の到達点：1 kpc四方に数個

自発的な腕形成？
密度波理論 v.s. 自発的腕形成

あらゆる角度での検証を進める時代へ• より細かい測量メッシュ• 1 kpc  50 pc• メーザー源以外の測量対象（熱的・非熱的連続波源）• パルサー• YSO• OHメーザー、HII領域

Baba et al. (2011)

Why astrometry of OH masers with the SKA?

2245 1612-MHz OH masers (http://www.hs.uni-hamburg.de/~st2b102/maserdb)

From VERA/VLBA/EVN/LBA (1,000 sources) to the SKA (~10,000)• From young population (supergiants) to old population(Mira variables, OH/IR stars, post-AGB stars)– Any location: Galactic thick disk, bulge, halo (globular clusters)– ~10 000 Galactic OH masers promising– ~200 OH masers promising in the Large Magellanic Clouds

広域HI放射撮像との協調• HIマップ解像度: 10″(GASKAP); 1″(SKA1-MID); 10 mas (SKA1-MID-VLBI)• OHメーザー源を取り巻くHIガス縁の探査物質循環経路の把握

GASKAP (Galactic ASKAP Spectral Line Survey, Dickey et al. 2013) 2016年から開始予定

天の川銀河中心域の本格的測量
CentralMolecular Zone

銀河中心ブラックホールとバルジの共進化
大域的な物質降着及び噴出流の検出• Sgr A*から2 pc以内： VLTI/Keck; SKA (パルサー)• Sgr A*から2 pc以遠
– ALMA: 多数天体が混在、分離が困難– SKA (OH, CH3OH); JASMINE
多数点源（赤色巨星・OB型星、パルサー、BH)

天の川銀河バルジの本格的測量
リンドブラッド共鳴半径前後の恒星群軌道（位相空間, [x, y, z, vx, vy, vz]）の把握・統計的分析
SKA測量対象(OHメーザー源）結果との比較(〜5000星)と補間

中型JASMINE測量範囲(~107星）

銀河中心付近恒星群軌道

天の川—マゼラン銀河系の動力学構造
HI分布モデル

HI観測データ

マゼラン銀河の軌道(HST, LBA, SKA)
銀河の軌道と回転の分離が課題⇩

潮汐力によるHIガスの拡散＋集積⇩
天の川銀河及び大小マゼラン銀河の力学的履歴の解明
Bekki et al. (2012)

大小マゼラン銀河の軌道決定へ(σ~10 μas yr-1)• 収束しないHST計測結果(e.g., Kallivayalil et al. 2013)• 銀河回転と測定対象天体の運動の差分が問題• LBAによるH2Oメーザー源
固有運動計測天体数不十分• SKAによる~200個の星間・星周OHメーザー源固有運動計測

Diaz & Bekki (2012)

H2O masers in LMC and SMC
LMC で20個程度(Imai et al. 2013)
LBAで計測試行、苦戦中(望遠鏡時間、局数…）

M33, IC10
(Brunthaler et al. 2006)

4-σ motions
M31(Sjouwerman et al. 2010;Daring 2011)

now ongoingwith HAS(CH3OH, H2O)
~30μas/yr
銀河内のメーザー源が少ない
銀河回転分の運動の除去が課題
感度的に厳しい測量

近傍銀河の固有運動計測

太陽系の永年（銀河）光行差

測定値（相対運動）（QSO相対固有運動）6.4±1.5μas yr-1
(Titov et al. 2011)
測地VLBI観測（大角度位置計測）
絶対座標誤差σ〜0.1 mas
10 μasへ (VGOS)
モデル
今後問題となる誤差要因• 天体構造(QSO ジェット、等）• マイクロレンズ効果
新しい研究分野として開拓

Pulsar astrometry at L-band:
J1023+0038 (Deller et al. 2012)

Trigonometry of OH masers• Only three papers!
– van Langevelde et al. 2000;
Vlemmings et al. 2003, 2007
– Towards OHs around 6 Mira variables• Possible, but challenging!
π =731±22 μas

π =3760±270μas
1665&1667 MHz OH
towards U Her

OHメーザー源のサイズ

大陸間基線では著しく空間分解される

比較的に長期安定

2000—3000 km程度の高感度基線が必要

IRAS 18460-0151(Imai et al. 2013)
e.g. W43A
IRAS 18286-0959

SKAアストロメトリの実現性： 感度• データ校正に使える参照電波源の検出感度 (baseline sensitivity)
mJy-level continuum calibrators

Smin = RSN

SEFDi SEFD j
2Dn tint( SEFDcore 3Jy) ( SEFDremote 100Jy)» 0.55[mJy]( Dn 0.5GHz) (tint 100s)
Here RSN=10c.f. SEFD=42 Jy @Parkes 64-m L-band• 画像上の感度 (core-remote baselines only)
10 mJy-level OH maser detectable

Sline » Smin, Dt

Dt1» 16Ttotal N remote[ SEFDcore 3Jy] [ SEFDremote 100Jy][mJy][ Dn 10kHz] [Ttotal 600s] [ Nstation 10]

実際に得られる信号雑音比(RSN)はリモート局配置で決まる合成ビー
ムパターンによって制限されるdynamic range で決まる⇩
像合成に依らない電波源位置推定の手法が必要？

SKAアストロメトリの実現性： 位置決定精度• 熱雑音で決まる統計的位置誤差(Moran et al. 1993)

l 10cm ][sq » 0.5
» 1000[mas]
RSN[ Bmax 1000km] [ RSN 10]
q beam3000 km の基線、波長18cm、信号雑音比300⇒ 誤差20 μas
c.f.
VERAアストロメトリ対象(σ≲100μas)(H2Oメーザー源) >5000 mJy

SKA1の測量対象 (60分積分)– 2000 mJy 以上のOHメーザー源– 1500 mJy 以上のCH3OHメーザー(6.7 GHz)源 (S/N〜600)
SKA2の測量対象 (10分積分)
SKA1: 数倍増える測量対象– 500 mJy 以上のOHメーザー源 SKA2:数10倍増える測量対象– 370 mJy 以上のCH3OHメーザー(6.7 GHz)源

熱的放射源のアストロメトリも視野へ (誤差1mas程度から)

VLBI with the SKA• (u,v)-plane coverage(Paragi et al. 2015)– For 12 hours– 24 telescopes• SKA1-mid• EVN, CVN, LBA• AVN(Africa)– δ=-20°• 1 hr sensitivity (1σ)– 9 μJy/beam(50% SKA1-mid)– 0.05 μJy/beam(Full SKA)

SKA2 astrometry simulations
ARIS (Asaki et al. 2007)+AIPS/ParselTongue (Y. Uchino)
5-min snapshot @L-band

実現する角分解能と感度、天体位置測定精度についてはシミュレーションによる調査が必要

同一視野内で観測される参照電波源
S BandX BandK BandLog(Ncumlative)

432

1-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2
Log (Fcorrelated[Jy])

0.0

0.2

0.4

Total number of references sources on the Sky(plot by Gabor Orosz)
Radio sources in FoV(SKA Memo 135)

160 000 calibrators at 2.2 GHz  2.9 個/ビーム
 for OH masers, pulsars
130 000 calibrators at 8.4 GHz  0.05 個/ビーム
 for CH3OH masers

広視野・同時複数視野
q FoV » 0.7lDsingle[ l 18cm ]» 0.48deg][ùéëDsingle 15mû

銀河面：
同一視野に複数のメーザー源
参照電波源： 同時に複数観測大気遅延残差（主に電離層）補正

3 targets astrometry (lead by G. Orosz)
Multi-View calibration (R. Dodson & M. Rioja)

sub-mas annual parallax of OH masers @1.6 GHz

1612 MHz OHmasers
towards
OH138.0+7.2

Orosz et al.
(2015 in prep.)

33

SPLASH (Southern Parkes Large Area Survey in Hydroxyl)
Dawson et al.
1612/1665/1667/1720 MHz thermal (emission, absorption) maser

SKA-mid15-m dish beam

Reanalysis ofintensity image cube(by K. Shinano & H. Imai)Statistics of OH maser sources in the SPLASH area

• Possibly ~5000 1612-MHz OH maser sources brighter than 0.4 Jy.
• Constant expansion velocity (Vexp~15 km/s) of the circumstellar envelopes, similar
to those in the Galactic bulge and the outer Galaxy (Sjouwerman 2000)
Vexpdependent on only metalicity (heavy element abundance) of stars (?)

まとめ• 日本からのSKA参加に向けた活動の本格化– 国際的な取り組みへの参加:• SKA Pulsar Working Group (associate member)• SKA VLBI Working Group (core member)– 日本版 SKA Science Book（日本語版完成、英語版へ）– 低周波バンドアストロメトリの実証• OHメーザー源年周視差計測 (Orosz et al.)• `Multi-view` technique (Dodson & Rioja)• 今後の課題– SKA VLBI 仕様の正式決定: まずScience Use Case 充実– SKA Precursors (ASKAP, MeerKAT)への参加– 国内研究者コミュニティーへの系統的情報発信