宇宙電波懇談会シンポジウム２０１３	

SKA概要・重要文書 	
鹿児島大学 中西裕之	

Full	  	  SKA	

SKA2	  Key	  Science	  Drivers	• ORIGINS	  – Neutral	  Hydrogen	  in	  the	  Universe	  from	  the	  Epoch	  of	  Re-­‐ionisaCon	  to	  now	  • When	  did	  the	  ﬁrst	  stars	  and	  galaxies	  form?	  
• How	  did	  galaxies	  evolve?	  
• Dark	  Energy,	  Dark	  MaLer	  – Astro-­‐biology	  • FUNDAMENTAL	  FORCES	  – Pulsars,	  General	  RelaCvity	  and	  gravitaConal	  waves	  – Origin	  and	  evoluCon	  of	  cosmic	  magneCsm	  • TRANSIENTS	  (new	  phenomenon)	  Science	  with	  the	  Square	  KilometreArray	  (2004,	  eds.	  C.	  Carilli&	  S.	  Rawlings,	  New	  Astron.	  Rev.,	  48)	

10%	  SKA	

SKA1	  Key	  Science	  Drivers	

• ORIGINS	  – Neutral	  Hydrogen	  in	  the	  Universe	  from	  the	  Epoch	  of	  Re-­‐ionisaCon	  to	  now	  • When	  did	  the	  ﬁrst	  stars	  and	  galaxies	  form?	  
• How	  did	  galaxies	  evolve?	  
• Dark	  Energy,	  Dark	  MaLer	  – Astro-­‐biology	  • FUNDAMENTAL	  FORCES	  – Pulsars,	  General	  RelaCvity	  and	  gravitaConal	  waves	  – Origin	  and	  evoluCon	  of	  cosmic	  magneCsm	  • TRANSIENTS	  (new	  phenomenon)	  Science	  with	  the	  Square	  KilometreArray	  (2004,	  eds.	  C.	  Carilli&	  S.	  Rawlings,	  New	  Astron.	  Rev.,	  48)	

SKA	  phase	  1	  (SKA1)	
• 建設費:	  €650M （920億円@€1=140円)	  • 建設開始：2017年	
Origin	  and	  evoluCon	  of	  cosmic	  magneCsm	  • TRANSIENTS	  (new	  phenomenon)	  SKA	  phase	  2	  (SKA2)	
• 建設費:	  未定 (>€1.5B=2100億円@€1=140円）	  • 建設開始：2022年	
Origin	  and	  evoluCon	  of	  cosmic	  magneCsm	  • TRANSIENTS	  (new	  phenomenon)	  感度	

Survey	  Speed	

SKA	  組織	参加国・機関	
1. Australia	  (DIISRTE)	  2. Canada	  (NRC-­‐Herzberg)	  3. China	  (MOST)	  4. Germany	  (BMBF)	  5. Italy	  (INAF)	  イギリス法人として設立	

参加国・機関	
6. Netherlands	  (NWO)	  7. New	  Zealand	  (MED)	  8. South	  Africa	  (DST)	  9. Sweden	  (Chalmers)	  10.UK	  (STFC)	  11.India	  (Tata/DAE)	  SKA	  組織	

SKA	  Oﬃceの組織図	プロジェクトの推進方法	
• SKAデザインはSKAオフィスと契約を結んだ１０の国際コンソーシアムが引き受ける	  • SKAオフィスはシステムエンジニアを遂行し、コンソーシアムからのデザインをレビューし、進捗をモニターし、評価する	  • SKAオフィスはbaseline	  conceputal	  designを発行し、デザインの初期設定を行う	  • SKAオフィスはプロジェクトのデザインに関する権限を有する	

Work	  Packages	
Led	  by	  SKA	  Oﬃce	  –Management	  –Science	  –System	  Design	  and	  system	  engineering	  –Maintenance	  &	  Support	  and	  OperaCons	  Carried	  out	  by	  Work	  Package	  ConsorCa	  –Dish	  Array	  –Aperture	  Arrays	  –Signal	  and	  Data	  Transport	  (including	  synchronisaCon	  and	  Cming)	  –Central	  Signal	  Processor	  –Science	  Data	  Processor	  –Telescope	  Manager	  	  –Infrastructure,	  including	  power	  –Assembly,	  IntegraCon	  and	  VeriﬁcaCon	  Advanced	  InstrumentaCon	  Programmes	  (to	  be	  integrated	  with	  Dish	  &	  AA	  WPs)	  –Mid	  Frequency	  Aperture	  Array	  –Wide	  Band	  Single	  Pixel	  Feeds	  Timeline	SKA重要文書	
• SKA1	  Science	  Performance （6	  Sep	  2013)	  baseline	  designを踏まえたconCnuumやlineのサーベイ感度などを記載	

• SKA1	  System	  Baseline	  Design	  (12	  Mar	  2013)	
Science	  CaseとDRMからの要望を踏まえた 最初のデザイン	  • SKA1	  Design	  Reference	  Mission	  (SKA1	  DRM)：(31	  May	  2011)	  SKAの仕様を決めるための科学研究からの要請（SKA1用） 	

• SKA2	  Design	  Reference	  Mission	  (SKA2	  DRM)：	  SKAの仕様を決めるための科学研究からの要請（SKA2用） 	

• SKA	  Project	  ExecuCon	  Plan	  (PEP)：(15	  Oct	  2010)	  Pre-­‐ConstrucCon	  phaseにおけるSKAの推進体制について規定した文書 	

• SKA	  Memo	  130	  :	  (22	  Nov	  2010)	  SKA1仕様の詳細	

• SKA	  Memo	  125:	  (1	  Jun	  2010)	  SKA 仕様のベースラインを定義 	

SKA	  Memo	  125:	  SKA1の仕様	
• 最終的なSKA仕様の10%程度の規模の段階。	  
• コンセプト デザインはSKA	  Memo	  125に記載。Baseline	  Designは右表	  • SKA1のサイエンスとしての２つが最重要課題として取り上げられることとなった	  1.
2.

暗黒時代から現在までのHIの歴史解明	  パルサーによる重力波検出	  Design Reference Mission (DRM)	
Version	  1.0	  updated	  on	  31	  May	  2011	  	  本文書の目的：	  サイエンスから要求される装置仕様を提示	  †	  Design	  Reference	  Mission	  establishes	  “traceability”	  from	  the	  science	  goals	  to	  science	  requirements	  to	  technical	  requirements.	  	  	  ALMAの”Reference	  Science	  Plan”	  等に相当	  	DRMの目次	
••••••Probing	  the	  Dark	  Ages	  and	  the	  Epoch	  of	  Reioniza8on	
– Epoh	  of	  ReionizaCon	  HI	  Imaging	  Tomography	  Galaxy	  Evolu8on,	  Cosmology,	  and	  Dark	  Energy	
– Resolving	  AGN	  and	  Star	  FormaCon	  in	  Galaxies	
– Traking	  Cosmic	  Star	  FormaCon:	  ConCnuum	  Deep	  Field	– Neural	  Gas	  in	  Galaxies:	  Deep	  HI	  Field	
– Tracking	  Galaxy	  EvoluCon	  over	  Cosmic	  Time	  via	  HI	  AbsorpCon	
– HI	  Baryon	  AcousCc	  OscillaCons	– Probing	  AGN	  Environments	  via	  HI	  AbsorpCon	  The	  Origin	  and	  Evolu8on	  of	  Cosmic	  Magne8sm	
– Cosmic	  MagneCsm	  Deep	  Field	
– Wide	  Field	  Polarimetry	  Strong	  Field	  Tests	  of	  Gravity	  Using	  Pulsars	  and	  Black	  Holes	
– Probing	  Gravity,	  Dark	  MaLer,	  and	  Stellar	  PopulaCons	  in	  the	  GalacCc	  Center	  with	  Radio	  Pulsars	
– Pulsar	  Surveys	  with	  the	  SKA	– Pulsar	  Timing	  with	  the	  SKA	  The	  Cradle	  of	  Life	
– Pre-­‐bioCc	  Molecules	  in	  and	  around	  Protoplanetary	  Disks	
Explora8on	  of	  the	  Unknown	  – The	  Transient	  Radio	  Sky	  	EoR	  /	  HI	  Imaging	  Tomography	• 目標：	  – 宇宙最初の星・銀河(z>6)によるIGMの電離（宇宙再電離）を捉える	  • 理論モデルからの予想：ピークで10mK	  (eg.	  Ciardi	  &	  Madau,	  2003)	  • 困難な点：	  – 銀河系の前景非熱的	  放射の分離	  – 高銀緯を観測するこ	  とで軽減	  – 最初全天サーベイを	  行い最適な観測点を	  探す	  FurlaneLo	  et	  al.	  2004	

	EoR	  /	  HI	  Imaging	  Tomography	
Scien8ﬁc	  Requirements	

Lower	  limit	  z=6はQSO分光(Fan	  etal.	  2006)	  Upper	  limit	  z=20は5-­‐yr	  WMAP	  光学的深さ(Komatsu	  et	  al.	  2008)より	  	  Technical	  Requirements	
奥行き距離	  1.7	  Mpc(Δν/100	  kHz)	  	Aeﬀ/Tsys:感度の指標 	  集光面積÷システム雑音温度	

Project Execution Plan (PEP)	
Pre-­‐ConstrucCon	  Phaseにおけるプロジェクト実行計画の詳細を定義	
内容	  
１章 PEPとは	  ２章 Pre-­‐ConstrucCon	  Phase	  に関する基本的な経営戦略と理念	  3章 SKA	  のための科学的動機	  4章 システム説明書の概要とSKA1◊SKA2	  設計過程の説明	
5−6章 Work	  Package（WP）のまとめ	  
7章 Work	  Package	  Contractを実行しうるパートナーシップのまとめ	
8章 計画の将来統治に関する原則と可能な組織チャートのまとめ	
9章 リスク対策とリスク経営プランの説明	  10章 技術と産業取り込み計画の概要	
11章 Pre-­‐ConstrucCon	  Phase	  の間の社会貢献	  12章 SKA	  の社会経済への利益のまとめ	

SKA1	  System	  Baseline	  Design	
この文書の目的 	  •••Science	  case(Carilli&Rawlings	  2004,	  Gaensler	  2004)とDRMの要望を踏まえた最初のデザイン	  最終決定ではなく、pre-­‐construcCon	  phaseで決定	  取り入れる技術は確立されたものとする	  境界条件	  ••••

オーストラリアと南アフリカに建設	  オーストラリアにはSKA-­‐low	  (AA)およびSKA-­‐survey(dish+PAF,	  ASKAPが取り込まれる)	  南アフリカにはSKA-­‐mid	  (MeerKATが取り込まれる）	  Cost	  capを取り入れる	SKA1	  System	  Baseline	  Design	
この文書の目的 	  •••Science	  case(Carilli&Rawlings	  2004,	  Gaensler	  2004)とDRMの要望を踏まえた最初のデザイン	  最終決定ではなく、pre-­‐construcCon	  phaseで決定	  取り入れる技術は確立されたものとする	  境界条件	  ••••

オーストラリアと南アフリカに建設	  オーストラリアにはSKA-­‐low	  (AA)およびSKA-­‐survey(dish+PAF,	  ASKAPが取り込まれる)	  南アフリカにはSKA-­‐mid	  (MeerKATが取り込まれる）	  Cost	  capを取り入れる	

デザインするうえでの前提
precursorの設備やインフラをできるだけ利用する	  建設中もprecursorはできるだけ運用する 	  dishは１度に１種類のfeedしか使えな
い（PAF	  or	  SPF） 	  全ての望遠鏡は単独でも運用できる 	  SKA-­‐lowとSKA-­‐surveyの場所は同じ敷地内でも少し離す 	  SKA-­‐lowとSKA-­‐midについてはSKA2への拡張を想定する 	  今後の技術の進展については2016年までを想定する 	  ただしデータ解析用の計算機は2019年までを想定する 	

SKA1-­‐Low	  Baseline	  Design	• Frequency	  Range	  =	  50	  to	  350	  MHz	  log	  periodic	  dipoles,	  dense	  –	  sparse	  transiCon	  at	  111	  MHz	  • Aeﬀ/Tsys	  =	  1000	  m2/K	  at	  110	  MHz	  <1mK	  noise	  (5’	  resoluCon	  @108MHz)	  	  LOFAR	  (120	  MHz,	  Full	  EU)	  ~	  30	  m2/K	  ,	  MWA	  (150	  MHz)	  ~	  7	  m2/K	  • FOV	  =	  27	  deg2	  (110	  MHz),	  35m	  staCons	  • Instantaneous	  Bandwidth	  =	  up	  to	  250	  MHz	  • Core	  radius	  =	  2.5	  km	  (3’	  resoluCon	  at	  110	  MHz)	  • Longest	  baseline	  =	  60	  km(7”	  resoluCon	  at	  110	  MHz)	  • Max	  number	  of	  channels	  =	  250,000	  • Frequency	  ResoluCon	  =	  1	  kHz	

Host	  country	  	HeadquarterとScience	  Data	  Processing	  CentreをPerthとCape	  Townに設置。運用および保守に責任を持つ。	

SKA1-­‐Mid	  Baseline	  Design	• Frequency	  Range	  =	  0.35	  to	  1.67	  GHz	  iniCally	  with	  two	  SPFs	  Dishes	  good	  to	  20	  GHz	  • Aeﬀ/Tsys	  =	  1600	  m2/K	  for	  0.9	  to	  1.67	  GHz	  (L-­‐Band	  2)	  190	  x	  15m	  SKA1	  dishes,	  64	  x	  13.5m	  MeerKAT	  dishes,	  0.78	  eﬀ	  and	  20K	  Tsys	  0.2	  microJy	  rms	  in	  12	  hours	  (conCnuum)	  JVLA	  =	  265	  m2/K	  ,	  Arecibo	  =	  1100	  m2/K	  •••••FOV	  =	  0.8	  deg2	  Usable	  Bandwidth	  =	  up	  to	  770	  MHz	  Longest	  baseline	  =	  200	  km	  (0.25”	  resoluCon	  at	  1.3	  GHz)	  Max	  number	  of	  channels	  =	  256,000	  Frequency	  ResoluCon	  =	  3.9	  kHz,	  1.2	  km	  s-­‐1	  in	  L-­‐Band	  2	  (0.9	  –1.67	  GHz)	

SKA1-­‐Survey	  Baseline	  Design	• Frequency	  Range	  =	  0.65	  to	  1.67	  GHz	  	  iniCally	  with	  1	  PAF	  Dishes	  good	  to	  20	  GHz	  • Aeﬀ/Tsys	  =	  391	  m2/K	  60	  x	  15m	  SKA1	  dishes,	  36	  x	  12m	  ASKAP	  dishes,	  0.80	  eﬀ	  and	  30K	  Tsys	  1.1	  microJy	  rms	  in	  12	  hours	  (conCnuum)	  • FOV	  =	  18	  deg2	  (36	  beams	  like	  ASKAP)	  SSFoM	  =	  27	  x	  105	  m4/K2	  deg2	  ASKAP	  =	  1.3	  x	  105	  m4/K2	  deg2	  ••••Usable	  Bandwidth	  =	  up	  to	  500	  MHz	  Longest	  baseline	  =	  50	  km	  (1”	  resoluCon	  at	  1.2	  GHz)	  Max	  number	  of	  channels	  =	  256,000	  Frequency	  ResoluCon	  =	  1.95	  kHz,	  0.9	  km	  s-­‐1	

SKA2へ向けて	
SKA-­‐low	  	  • z=2.5-­‐6のimagingが重要となればlow-­‐frequency	  dense	  aperture	  arrayを作って感度と角度分解能を挙げる	  • EoRの21cm線が観測されて、imagingができなければ 角度分解能を上げるべく基線を長くする 	  SKA-­‐mid	  • 感度を10000	  m2/Kに上げる	  • PAFをつけてsurvey	  speedを上げる 	  • dense	  aperture	  array	  (1-­‐2	  GHz)で大規模サーベイ 	  SKA-­‐survey	  	  • より低周波、より高周波のPAFを１つずつ搭載 	  Advanced	  InstrumentaCon	  Program	  	  • wide-­‐band	  single	  pixel	  feed	  コスト安、複数のlineを同時観測、conCnuum感度改善	  • dense	  aperture	  array	  視野が広大”billion	  galaxy	  survey”	  	  • PAF	  SKA1にすでに組み込まれている 	SKA1	  Science	  Performance	baseline	  designを踏まえたconCnuumやlineのサーベイ感度などを記載	

SKA-TEL-XXXXXX
Revision: REV A – DRAFT 1!
!

SKA1%SCIENCE%PERFORMANCE%!

Document!number!.........................................................................!SKA0TEL0SKO0DD0XXX!
Revision!......................................................................................................!REV!A!DRAFT1!
Author!..................................................................................................................!R.Braun!!
Date!...............................................................................................................!2013009006!
Status!.....................................................................................................................!DRAFT%!
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Name%

Designation%

Affiliation%

Date%

Signature%!

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Additional%Authors%!
Approved%for%release:%!
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DRAFT – 2013-09-06!

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まとめ	• SKAはOrigin,	  Fundamental	  force,	  Transientといった天文学上重要な課題を解明する次世代電波プロジェクト	  • オーストラリア、南アフリカに建設され、SKA1はSKA-­‐low,	  SKA-­‐mid,	  SKA-­‐surveyからなる。	  
• SKA1は2017年より、SKA2は2022年より建設開始	  • SKAプロジェクトに関する詳細は重要文書（SKA1	  Science	  Performance,	  SKA1	  System	  Baseline	  Design,	  SKA1	  DRM,	  PEP,	  SKA	  Memo	  125）に書かれており、概要を解説した