Transcript VERAにおける6.7 GHz観測システムの構築

VERAにおける6.7GHz観測
本間 希樹 （国立天文台）
＠メタノール研究会（2007/Nov/22)
VERA石垣島局と、6.7GHzメタノールメーザーのVERA初のスペクトル
(W3OH @ Ishigaki-jima, on 2005/Feb/3)
内容
• ＶＥＲＡにとってのメタノール
• 受信機開発状況
• メタノールメーザー源についての（かなり適
当な）考察
VERA 6.7GHz帯追加の利点
• 銀河系位置天文の新たなプローブ
– 約800個のメーザー天体が存在。
– 半数は水メーザー天体と独立
– 内部運動が小さく銀河回転計測に有利
• 周波数が低く、22 & 43 GHzのbackupに最適、特
に夏場は重宝するバンド
• 星形成研究の多様化
– 有名な星形成領域は水およびメタノール両方で観測
可能 ＞
• 異なる領域 ?、 ジェット vs YSO、
• 星形成領域の内部運動、構造
世界のメタノール観測網の比較
VLBA
局数
最長基線
コメント
0
－
12GHz有
EVN
8
~7000 km
北天、集光力大
機動性小（年~３回）
LBA
5
1700 km
南天で唯一
ＶＥＲＡ，
大学連携
4~8
2300 km
専有性、機動性、短基線
高密度UVを売りに
VERAメタノール関連の進展
２００４年１２月
２００５年２月
２００５年６月
２００５年８月
２００５年９月
Ｖ懇シンポ（山大藤沢さんと6.7 GHz試
験観測の可能性を議論）
石垣島でVERA 6.7GHzファーストライト
水沢にＶＬＢＩ試験観測用受信機を搭載
水沢でVERA 6.7GHzファーストライト
山口－水沢間でファーストフリンジ
（日本発の6.7GHz VLBI !!）
山口－水沢－石垣島 ３局ＶＬＢＩ
２００６年夏
山口、臼田＋ＶＥＲＡ２局以上での観測
２００７年
大阪府立大を中心としたホーン開発
水沢局6.7GHz試験 (2005/6/8)
• 市販品で組み上げた受信機
Ｘバンド標準ホーン、Tsys~120 K（常温アンプ！）
Ｗ３ＯＨを無事検出（１秒積分）、開口能率の推定値～１５％程度
この受信機でＶＬＢＩ観測も行い、マップも得た（Sugiyama et al. 2008)
メタノール観測可能性を実証するという目的は果たした。
ＶＥＲＡに最適化した新受信機の開発
設計、作成： 氏原（ＮＡＯＪ）、木村、利川、小川（大阪府立大）
受信機室の高さに制約があるため、軸長が短くなるマルチモードホーンを採用
6.7GHz band multimode horn patarn profile
上図
ホーンパターン（計算値）
0
E-plane
H-plane
Cross
-5
Power(dB)
-10
副鏡縁はホーンから約12
度であり、それまではEH
面は比較的対称である。
また、副鏡には約87％の
電力が照射されている。
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-30
-20
-10
0
10
Angle(deg)
20
30
40
6.7GHz antenna profile
下図
アンテナパターン（計算値）
65
H-plane
E-plane
60
Power(dBi)
55
50
45
40
35
6.7GHz帯マルチモードホーン
30
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1
0
0.1
Angle(deg)
0.2
0.3
0.4
0.5
受信機室での配置の制約
があり、最適にホーンを配
置できないため、若干収差
が見えている。これでも能
率は約６０％(表面荒さ等は
考慮していない)。
マルチモードホーンの測定評価
２００７年１１月に、京都大学生存圏研究所にある近傍界測定装置(NSI社)を
用いて評価を行い、計算値との一致を確認した。
同軸導波管変換器
円角変換 被測定ホーン
プローブホーン
上図 京都大学生存圏にある近傍
界測定装置を用いた測定風景
VERA Multi Mode Horn（r24） patarn profile at 6.7GHz
E-plane
H-plane
Cross
E-plane(mea.)
H-plane(mea.)
0
Power(dB)
-10
-20
-30
-40
-60
-40
-20
0
Angle(deg)
20
40
60
6.7GHzビームパターンの計算と測定の比較
6.7GHzビームパターンの主偏波と交差偏波
の3D分布。最大交差偏波強度も-25dBと十分
に低い事が確認できた。
ポーラライザーの設計
ポーラライザーは、方形導波管内部にリッジ状のセプタムを挿入するタイプを採用し、設計
製作をおこなった。
セプタム
出力部
(右旋)
HFSSを用いて設計を進めた。
入力部
出力部
(左旋)
製作したポーラライザー
直線偏波から円偏波が生成できるしくみ
（元ファイルの動画が表現できないのが残念です。）
受信機ホルダーの設計
開発を行った受信機部品を組み合わせて、望遠鏡に搭載するためのホルダーの
設計を進めている。支持する箇所はホーン中程に設計した固定用のフランジ
(ホーン自体は一体物)およびポーラライザー部分である。
２００７年１１月末に水沢でアンテナ搭載試験を行う。
検討中のホルダー
約690mm
穴をあけた板でホーン L字パーツでポーラライザー
固定用フランジに固定 を固定
柱間に、壁や筋交いを設置して強度を上げることを検討中
VERA搭載のイメージ図
（注あくまでイメージです。）
期待される性能
• 開口能率５０％以上
• システム温度 １２０Ｋ （常温受信機）
アンプ単体は常温で６０Ｋなので、冷却アン
プを採用すれば５０Ｋはさがる
→ システム温度最終目標 ７０Ｋ
22G帯に対して、感度が２～３倍良い
メタノールメーザー源に関する考察
（個人的なたわごと？）
メタノールメーザーの一般的性質
• 狭い線幅、系統的な速度構造
• 小さい構造変化、固有運動
• 周期的な強度変動（一部）
• リング状構造（一部）
水メーザーでみえるアウトフローとは明らかに異なる性質
大質量星周囲の円盤起源の可能性も（期待込み）
Cep HW2のケース
• 原始星周囲のリングに見える
適当に物理量を評価すると
リング半径 ~750 AU
線幅
~ 4 km/s
→ 質量 ~ 13.3 M_sun
励起温度 120 Kを仮定すると
→ 中心星の光度 L ~ 60000 L_sun
Sugiyama et al.
一方、Patel et al.(2005)より
中心星の質量 ~ 15 M_sun (B0~B1)
B0星の光度 ～ 53000 L_sun
それになりに合致（偶然？）
周期変動：中心星の脈動？
• Goedhartらの周期変動：周期 130~520 day
ミラ型変光星とほぼ同じ ＞ 星の脈動か？
• 周期を決める密度（多分妥当な仮定）
τ~ (1/Gρ)^1/2
典型的なミラを 1M_sun, R~2 AU とする
同じ周期を得るには同じ平均密度が必要
Cep A HW2の場合
M ~ 15 M_sun, R~ 5AU なら良い
→ T_eff ~ 2700 K
中心星は林トラック付近の原始星？
• 前述の（かなり適当な）評価が妥当なら、中心星
はＨＲ図で林トラック付近に星が存在（ＡＧＢと同
様）
15太陽質量の星の進化
絶対等級
林トラックを離れ
ＭＳへ行く前のフェーズ
を見ている？
Cep A HW2
温度
メタノールへの（勝手な）期待
大質量原始星のある特定のフェーズを見ている？
本当なら以下のような情報が引き出せるか
• 分布の大きさ
→ 中心星の光度
• 分布＋線幅
→ 原始星の質量
• 脈動周期
→ 星の密度、半径、温度
大質量星の初期進化フェーズの定量的な研究？
このシナリオの予言： メタノールメーザーの周期光度関係！？
上記研究には、マップ、距離、強度モニター が必要
やるべきこと
• ＶＬＢＩマッピング（ＪＶＮ）
• 距離決定（アストロメトリ with VERA+JVN）
• 強度変動モニター （単一鏡モニター）
まとめ
• メタノールメーザーはＶＥＲＡの位置天文観
測の拡充にとって重要
• 現在、ＶＥＲＡに最適化された受信機を開
発中
• メタノールメーザーは大質量星本体に迫れ
るユニークなツールかも知れない（今後の
進展が非常に楽しみである）
まとめ
参加～２０人、発表１６件
•
日本のおかれた状況（蜂須賀、杉山、藤沢）
感度的には世界と差、でもまずまず使える装置になってきた
•
大質量星形成領域の研究
単一鏡モニター： （周期？）変動
統計的変動 （石川）、 Cep-A変動 （杉山）
マッピング： disk/jet問題、進化フェーズ
水との比較 （今井、廣田）、分子輝線との比較 （梅本）
メーザーサイズ （岸本）、多数天体の比較（廣田、梅本）
アストロメトリ： 回転運動？、視差
内部運動 （杉山）、絶対位置（土居）
•
•
系外銀河 （佐藤）
晩期型星 （松井）
•
観測システム： ＶＥＲＡ（本間）、臼田（望月）、山口（藤沢）、茨城（小林）
我々の方向性
• 単一鏡
サーベイは不要 （銀河面以外なら余地有り）
強度変動はまだやることがある
• イメージング
感度では世界と勝負できない
数を稼ぐ観測なら可能
他波長データの収集（電波、赤外etc）
Ｈ２Ｏとの比較（ＶＥＲＡと共同）
大質量星の進化、環境の理解？
• アストロメトリ
内部運動は時間をかけて頑張ればできる
VLBA, EVNとは競争（my telescopeの強みはある）
工夫すれば精度は出そう、要検証
今後の長期ビジョン
２００７年度
• ＶＥＲＡ６．７Ｇ新受信機評価
２００８年度
• ＶＥＲＡ新受信機の各局配備
• 山口高感度化、広帯域化、ＶＥＲＡとの1Gps観測
• 茨城の整備
２００９年度
• 茨城のメタノール定常観測？
• 中国との連携
今後の短期ビジョン
２００７年度・０８年度
• 単一鏡
山口での継続
• ＶＬＢＩ観測
１００時間： ～１０天体程度か
科学観測はマッピング、内部固有運動あたり
＋試験観測も（新システム、位相補償）
• ＶＥＲＡ６．７Ｇの受信機評価
• 茨城をどう巻き込むか