MWAとMWA Japan

高橋慶太郎
熊本大学
2017.1.8

目次
１、SKAとSKA Japan
２、MWAとMWA Japan
３、宇宙再電離21cm線

１、SKAとSKA Japan

Square Kilometre Array
次世代大型センチ波望遠鏡
特徴：高感度・広帯域・広視野・高分解能
規模：2000-3000台の望遠鏡
帯域：0.05-10GHz
基線長：最大3000km
場所：オーストラリア・南アフリカ
本部：マンチェスター→ 電波源の数：100倍
感度：EVLA×40
サーベイ速度：１万倍

参加国
参加国：
オーストラリア、南アフリカ、イギリス、カナダ、中国、インド、イタリア、ニュージーランド、スウェーデン、オランダ
オブザーバ：
ブラジル、フランス、ドイツ、日本、韓国、マルタ、ポーランド、ポルトガル、ロシア、スペイン、アメリカ

SKA-low in Australia

SKA-mid in South Africa

timeline
SKA phase 1・2018- 建設
・2020- 初期科学観測
・Sparse Aperture Array+ Dish・EoR, pulsar, cosmology

SKA phase 2・2023- 建設
・202?- 観測・先進的技術AIP

Advanced Instrumentation Program
・Dense Aperture Array・Phased Array Feed・Ultra-Wideband Single-Pixel Feed

precursors
Australia

MWA

SKA1-low

SKA2-low

SKA1-mid

SKA2-mid

South Africa

MeerKATsensitivity

survey speed

SKA Key Science
Key Science- 暗黒時代と宇宙再電離- パルサーによる重力理論検証- 宇宙論- 宇宙における生命- 銀河進化
- 突発天体- 宇宙磁場の起源と進化

Science Book 2014
Science Book 2014
・2004年版からの全面改訂
・2014.6 国際会議＠シシリー島
・2014.12 出版 〜 2000ページ
日本からの参加状況
・再電離、パルサー、HI、宇宙論、宇宙磁場
・〜10人、〜10 chapters、1 PI

SKA Japan組織
2008年設立、メンバー～160人
執行部
・代表：杉山（名古屋）・副代表：高橋（熊本）赤堀（鹿児島）・顧問：小林（NAOJ）
・広報：中西（鹿児島）・外部資金：今井（鹿児島）・Science Working Group ・Engineering Working Group
‐代表：市來（名古屋）‐代表：青木（早稲田）‐副代表：竹内（名古屋）

SKA Japan組織Science Working GroupEngineering Working Group
代表：市來（名古屋）
代表：青木（早稲田）
副代表：竹内（名古屋）・相関器：中西（鹿児島）・遠方宇宙：平下（ASIAA）
・偏波解析ソフトウェア：‐銀河進化：竹内（名古屋）
高橋（熊本）‐宇宙論：山内（東京）・フィード：氏原（NICT）‐再電離：長谷川（名古屋）・パルサー：高橋（熊本）
産業フォーラム・宇宙磁場：町田（九州）代表：熊沢（東陽テクニカ）
・位置天文：今井（鹿児島）・星間物質：立原（名古屋）・突発天体：青木（早稲田）

日本版サイエンスブック
日本語版
・2015年2月完成、320ページ、執筆者～60人
・再電離、宇宙論、銀河進化、パルサー
宇宙磁場、近傍宇宙時空計測
星間物質、突発天体
・内容：‐分野レビュー‐国際サイエンスレビュー‐日本サイエンス
英語版
・2015年度活動の柱
・英語化＋準備研究進展のまとめ
・2016年3月完成（3/8のarXivに６編）

1

Japan SKA Consortium (2016)
Preprint typeset using PASJ LATEX format v.1.0

パルサー 1603.01951

銀河進化 1603.01938

SKA-Japan Pulsar Science with the Square
Kilometre Array

2016
961v1 [astro-ph.CO]
7 Mar 2016 [astro-ph.IM] 7 Mar 2016arXiv:1603.01951v1

Formation, Evolution, and Revolution of Galaxies
by SKA: Activities of SKA-Japan Galaxy
Evolution Sub-SWG

Tsutomu T. Takeuchi1 , Kana Morokuma-Matsui,2 , Daisuke Iono2,3 ,Hiroyuki Hirashita4 , Wei Leong Tee4,5 , Wei-Hao Wang4 , Rieko Momose2,6,7 ,on behalf of the SKA-Japan Galaxy Evolution sub-Science Working Group
1JapanChikusa-ku,
SKA Consortium(2016)
Division of Particle and Astrophysical Science, Nagoya University, Furo-cho,NagoyaPreprint typeset using PASJ LATEX format v.1.0
464–8602, Japan.
2
National Astronomical Observatory of Japan, Osawa, Mitaka, Tokyo, Japan
3
SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies)
4
Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, P.O. Box 23-141, Taipei 10617,Taiwan
5Department of Physics, National Taiwan University, Taipei 10617, Taiwan
6National Tsing Hua University, Hsinchu, 30013, Taiwan
7
The Institute for Cosmic Ray Research, the University of Tokyo, Japan

宇宙論 1603.01959

Cosmology with the Square Kilometre Array bySKA-Japan
E-mail: takeuchi.tsutomu@g.mbox.nagoya-u.ac.jp, kana.matsui@nao.ac.jp, d.iono@nao.ac.jp,∗hirashita@asiaa.sinica.edu.tw, momose.rieko@nao.ac.jp

Daisuke YAMAUCHI1,* , Kiyotomo I CHIKI2,3 , Kazunori KOHRI4,5 , Toshiya
NAMIKAWA 6,7 , Yoshihiko OYAMA 8 , Toyokazu S EKIGUCHI 9 , Hayato
Abstract2,101011S
HIMABUKURO, Keitaro
TAKAHASHI, Tomo
TAKAHASHI, Shuichiro
Formationand evolutionof galaxies
have been a central
driving
force in the studies
of galaxies and1213
Y
OKOYAMA, Kohji
OSHIKAWA
on behalfof SKA-Japan
Consortium
cosmology.
RecentstudiesYprovided
a global, pictureof cosmic
star formation history.
However, what
Cosmology
ScienceGroupin galaxies has long been a matter of debate. The
drives the evolutionof star Working
formation activities
to molecular state, since
1key factor of the star formation is the transition of hydrogen from atomicJapan SKA Consortium (2016)

Research Center for the Early Universe, Graduate School of Science, The University ofthe star formation is associated with the molecular phase. Preprint
This transitionis alsocoupledtypeset using
PASJstrongly
LATEX format
v.1.0
Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
withchemicalevolution,
becausedust
grains,
i.e.,
tiny
solid
particles
ofheavy
elements,
play a2
Department of Physics and Astrophysics, Nagoya University, Aichi 464-8602, Japan
3critical role in molecular formation. Therefore, a comprehensive understanding of neutral–molecularKobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University,
gas transition, star formation and chemical enrichment is necessary to clarify the galaxy formation
Aichi 464-8602, Japan4and evolution. Here we present the activity of SKA-JP galaxy evolution sub-science working group
Theory Center, IPNS, KEK, Tsukuba 305-0801, Japan5(subSWG) Our activity is focused on three epochs: z ∼ 0, 1, and z > 3. At z ∼ 0, we try to construct
Sokendai, Tsukuba 305-0801, Japan
6a unified picture of atomic and molecular hydrogen through nearby galaxies in terms of metallicity
Department of Physics, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA
7and other various ISM properties. Up to intermediate redshifts z ∼ 1, we explore scaling relations
Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, SLAC National Accelerator
includinggas Menloand starformation
properties,
Laboratory,Park,
CA 94025,
USA like the main sequence and the Kennicutt–Schmidt law
8of star forming galaxies. To connect the global studies with spatially-resolved investigations, such
Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8582, Japan
9relations will be plausibly a viable way. For high redshift objects, the absorption lines of HI 21-cm
Institute for Basic Science, Center for Theoretical Physics of the Universe, Daejeon 34051,
linewillKorea
be a very promising observable to explore the properties of gas in galaxies. By these studies,
South
1∗
2
3
TakuyaA KAHORI, Yutaka
F UJITA
Kiyotomo
I CHIKI, Shinsuke
10
weFaculty
will surely
witness aKumamoto
real
revolution
in the ,studies
galaxies
bySKA.
of Science,University,
2-39-1 ofKurokami,
Kumamoto
860-8555, Japan

宇宙磁場 1603.01974

Resolving 4-D Nature of Magnetism with
Depolarization and Faraday Tomography:
Japanese SKA Cosmic Magnetism Science

456I Department, ofTakahiro
K UDOH, YukiSaga
K UDOH, Mami
M ACHIDA7 , Hiroyuki
Physics,
Saga840-8502,Japan
Key words: Galaxies:
evolution—University,galaxies:
formation— stars:formation — ISM: metallicity— ISM:
1819N, Hiroshi
O HNOUniversity,, TakeakiO ZAWA, Keitaro T
AKAHASHI
Department
ofPhysics, Rikkyo
3-34-1
Nishi-Ikebukuro,Toshima,
Tokyo,
neutralgas — hydrogen
Motokazu
TAKIZAWA10 , on behalf of the SKA-JP Magnetism SWG.
171-8501, Japan

11DEGUCHI

12 AKANISHI

Japan SKA Consortium (2016)
Preprint typeset using PASJ LATEX format v.1.0

Keitaro TAKAHASHI1 , Takahiro AOKI2 , Kengo I WATA3 , Osamu K AMEYA4 ,Hiroki K UMAMOTO 1 , Sachiko K UROYANAGI3 , Ryo M IKAMI5 , Atsushi
N ARUKO6 , Hiroshi O HNO7 , Shinpei S HIBATA8 , Toshio T ERASAWA5 , Naoyuki
YONEMARU1 , Chulmoon YOO3 (SKA-Japan Pulsar Science WorkingGroup)
11Kumamoto University, Japan
Japan SKA Consortium (2016)
Waseda University, Japan
Preprint typeset using PASJ LATEX format v.1.0
3Nagoya University, Japan
4National Astronomical Observatory of Japan, Japan
5Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo, Japan
6Tokyo Institute of Technology, Japan
7Tohoku Bunkyo College, Japan
8Yamagata University, Japan2

再電離 1603.01961

JapaneseCosmic Dawn/Epoch of Reionization
E-mail: keitaro@sci.kumamoto-u.ac.jp
Sciencewith the Square Kilometre Array
Abstract∗

1
1
2
The Square
Kilometre1*Array
will revolutionize
studies withits wide
field-of-view,
wideKenji
H ASEGAWA, Shinsuke
A SABApulsar, Kiyotomo
I CHIKI, AkioK. I NOUE,
34
1,5band observationhigh sensitivity,increasing
the numberof observable pulsars
by moreSusumu
I NOUEand, Tomoaki
I SHIYAMA, Hayato
S HIMABUKURO, Keitaro
than an order5 of magnitude. Pulsars 1are of interest not only forthe study of neutron stars
T
AKAHASHI , Hiroyuki TASHIRO , Hidenobu YAJIMA 6 , Shu-ichiro
themselves butfor
their
usage
as
tools
for
probing
fundamental
physics
such as general relaY
OKOYAMA7 , Kohji YOSHIKAWA 8 , Shintaro YOSHIURA 5 , on behalf of Japantivity, gravitational waves and nuclear interaction. In this article, we summarize the activity andSKA
Consortium
EoRWorking
ScienceWorking
1of SKA-Japan(SKA-JP)
interests
Pulsar ScienceGroup,
focusingGroupon an investigation of modi1fied gravity theory with the supermassive black hole in the Galactic Centre, gravitational-wave

Department of Physics and Astrophysics, Nagoya University Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya,detectionfrom cosmic
a study of the physicalAichi 464-8602,
Japanstrings and binary supermassive black holes, JapanSKA Consortium (2016)
2state of plasma close to pulsars using giant radio pulses and determination of magnetic fieldCollege of General Education, Osaka Sangyo University,Preprint
3-1-1,typeset
Nakagaito,Daito,
using PASJLATEOsaka
X format v.1.0
structureof Japan
Galaxy with pulsar pairs.
574-8530,
3

Astrophysical Big Bang Laboratory, Riken, Wako, Saitama 351-0198, Japan
Institute of Management and Information Technologies, Chiba University, 1-33, Yayoi-cho,wavelength observations from radio to gamma-r
Chiba, 263-8522, Japan
1Inage-ku,
Introduction
5
Faculty of Science, Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, Kumamoto 860-8555, JapanOn the other hand, thanks to the long-term
6Pulsars are rapidly rotating neutron stars with strong magnetic
Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Tohoku
University, Sendaifields (∼ 108 −1014 G) and strongly collimated emission. Theirtation period, pulsars have been used to prob
980-8578, Japan
physics. For example, gravitational waves p7masses are typically solar mass and they are considered to be
Department of Physics, Rikkyo University, 3-34-1 Nishi-Ikebukuro, Toshima, Tokyo 171-8501,
formed as a remnant of supernova explosion. So far more
Earth and pulsars slightly change the arrival tiJapan
have been found and there is a wide variThen very precise measurement of the arrival t
8than 2,500 pulsars
11 University of Tsukuba, 1-1-1,23
Centerfor
ComputationalSciences,Ten-nodai,Tsukuba,
HiroshiImai, Ross A.
Burns
Yoshiyukipul-Yamada, Naoteru, Tahei
ety of distinct
observationalclassessuch as, milli-second
from MSPs
with very Godastable rotation
periods aIbaraki,
3 305-8577, Japan
1454

位置天文 1603.02042

Radio Astrometry towards the Nearby Universe
with the SKA

Yano, Gabor
Orosz, Kotaro
Niinumaand Kenji
Bekki waves(SKAJapansars (MSPs)
with rotation
periods∼ 10 msec, magnetars withtect gravitational
directly.
This method∗ E-mail: hasegawa.kenji@a.mbox.nagoya-u.ac.jp
magnetic fields ofScience∼ 1014 G andintermittentGroup)
pulsars which are
sar timing array (PTA) and is sensitive to grav
AstrometryWorking

２、MWAとMWA Japan

MWAMurchison Widefield Array
・SKA-low precursor
・SKA-low建設予定地に設置
・宇宙再電離21cm線、低周波全天サーベイ、パルサー
transients

スペック
・phase 2 (2016-2019)：256タイル（受信機は128タイル分）
・phase 3 (2020-)：受信機を増やす、バンド幅を広げる、低周波側を50MHzに下げる
装置改良、デジタル化（受信機・相関器・beamformer）

再電離21cm線
前景放射が比較的小さい３領域を深く観測〜 1000時間
4D. Jacobs

Figure 1. An overview of the MWA reionization observation strategy. The background image is a cartesian view of the sky at radioGLEAM survey
GaLactic
GaLactic and Extragalactic All-sky
MWAandsurvey
Extragalactic All-sky
・300,000銀河のカタログを発表（MNRAS）
MWA Survey
・70 - 230 MHz
Natasha Hurley-Walker

Curtin University

Joe Callingham, Bi-Qing For, Thomas Franzen,
Paul Hancock, Luke Hindson, Anna Kapinska,
Emil Lenc, Benjamin McKinley, John Morgan,
Pietro Procopio, Lister Staveley-Smith,Randall Wayth, Chen Wu

MWA参加◯日本の参加・500,000AUD相当の支払いで正式メンバー国・科研費により150,000AUDを支払い2018年末まで参加
・残額支払いでその後もメンバー国・6機関25人（熊本、名古屋、鹿児島、東京、東北、天文台）
・代表：高橋・MWA-Japan結成研究会＠名古屋 2016/7/5◯メルボルン大学滞在
・EoRデータ解析本部
・高橋３ヶ月、学生２名２ヶ月
・３つの解析を担当
21cm線-すばる相関、21cm線-CMB相関、drift scan
・すばるHSC観測領域の観測を共同提案

３、宇宙再電離21cm線

21cm線
中性水素超微細構造

eepp
21cm線(1420MHz)

赤方偏移
z = 6 → 200MHzz = 20 → 70MHz
初代天体・再電離期の中性水素は100MHz帯の電波で観測できる

EoR21cm線シグナル

時間→・MWAやSKA-lowのメインターゲット
・再電離の様子が時系列で見える！
→ 初代銀河・AGNの性質、質量関数、IGMの性質・再電離以前の揺らぎから宇宙論ができる→ 2D(CMB)から3Dへ・イオン化バブルの真ん中を他波長で見る → ALMA、TMTSKA0
SKA0はすでに始まっている！
MWA
LOFAR
PAPER

望遠鏡比較
設計思想・特性が全く異なる

最近HERAが建設資金10億円を獲得

統計的情報とイメージング
統計的情報（power spectrum, bispectrum, …）・低S/Nで可能、データ処理が容易
・ゆらぎ、イオン化バブルの典型的大きさ
・EoRモデルとフィットしてモデルパラメータに制限
イメージング・高S/Nが必要、データ処理が困難
・イオン化バブルの形状、分布・他波長のフォローアップ

宇宙論100年の物語

偏光ゆらぎ精密観測
Planck
偏光ゆらぎ
ゆらぎ発見
超精密観測
COBE
LiteBIRD
CMB発見
ゆらぎ精密観測
ペンジアス・ウィルソン
WMAP

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

21cm線シグナル発見?
MWA, LOFAR, PAPER
21cm線ゆらぎ精密観測
SKA1, HERA21cm線イメージング
SKA2
暗黒時代観測月面？

thermal noise
power spectrum
・Mesinger et al. 2014
・2000時間の観測

bispectrum
・Yoshiura, Shimabukuro,KT, Imai+ 2015
・1000時間の観測

MWALOFAR
SKA1noisethermal noise

Table 1. Signal-to-noise ratio of the variance, thefrom equilateral-type bispectrum, γe , and thevariance, skewness
from folded-type bispectrum, γ , for the MWA an
・Kubota, Yoshiura, Shimabukuro, KT 2016 f
・1000時間の観測
z σ2
γ
γ.05

MWA

100variance, skewness

MWA10LOFAR

10.1

3.0
9.5
3.2
1662
26

f

0.95
6.7
0.708.2
120
180.21
0.24
0.63
0.98
1123

signalvariance
skewness (equilateral)skewness (folded)and γe , while the LOFAR will be able to detect all
thermal noise
variancequantities.
skewness (equilateral)skewness (folded)

0.01
0.001

7
8
9
7
89e

6

7

8

9
redshiftFig.
the expected 1-σ constrain
10 4 represents
11three parameters, Tvir,min , ζion , Rmfp , for MWA obforeground
強烈なforeground・銀河系外電波天体
・銀河系放射・地球大気

power spectrumでforegroundはsignalの６桁上！

銀河系外電波天体
点源の漏れだし・ionosphere‐見る方向によって異なる‐時々刻々と変化
・beam shape, receiver gain,frequency sensitivity‐望遠鏡の性質‐視野外からも寄与→ sky modelを用いて漏れ出しを推定・差し引く

銀河系
銀河系電波放射・様々なソース‐シンクロトロン‐free-free‐超新星残骸
・pixelごとに強さ、スペクトルが異なる
・銀河系放射は滑らか
EoR signalはギザギザ
Jelic 2008
pixelごとに滑らかな成分を差し引く
多項式近似、correlated component analysis
Wp smoothing、FastICA、GMCA、high-pass filter

First Season MW

観測の現状
Beardsley et al. 2016
・MWA 32 hours
・観測データ自体はすでに1000時間程度ある
・この程度の積分時間だと
thermal noise limited
・thermal noiseは予想シグナルの100倍程度

観測戦略
・原理的な感度はSKA0でも足りている・foreground limited→ SKA0で解析方法を確立してシグナル検出できなければSKA1, 2も無駄・MWAで活躍してSKAへ・戦略
21cmのみ：deep pointing, drift scan → 吉浦
相互相関：銀河（LAE） → 久保田、CMB → 吉浦

MWA-すばる
MWA-すばる相互相関（詳細は久保田さん）
・中性水素と電離光子源の相関 → 前景放射除去→ 検出可能性が格段に上がる
・HSC：遠方LAEサーベイ → 21cm線シグナルの初検出
・PFS：LAEのz決定 → 再電離過程、電離光子源の性質
・SKAも必ずやるはず（SKA-すばる）
LAE

3102101∆221,gal(mK)

21cm線

10100

Expected errors on cross power spectrum(z=6.6)

感度見積もりKubota, KT+
MWA-HSC

10-1

MWA-HSC+PFS

10-2
10-3

10-4

シグナル

sample variancesignal(z=6.6,nHI=8.2×10-3)
error(PFS,without sample variance)
error(without sample variance)

0.1

k[Mpc-1]

110

MWA-CMB

Yoshiura, KT+

電離ガスによるCMB散乱
電離ガスの運動
preliminary result
foregroundが綺麗に消えた分散としては残っているので除去する
Compare 21cm map & FG map (Equatorial)→ 自己相関より強い制限？

青 : Δl = 1
緑 : Δl = 30v

まとめSKA
・100MHz - 1GHz帯の究極の電波干渉計
・宇宙再電離、銀河進化、宇宙論、パルサー
宇宙磁場など多彩なサイエンス・SKA Japan参加者募集中
MWA・SKA-lowのprecursor
・宇宙再電離、全天サーベイ
・再電離21cm線→ foreground limited→ MWAの成功なくしてSKAの成功なし→ MWA Japan頑張れ！