多波長・マルチメッセンジャー観測時代に おける大学主導のVLBIについて考える

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1 多波長・マルチメッセンジャー観測時代に おける大学主導のVLBIについて考える
新沼浩太郎（山口大学）

2 茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 他波長・マルチメッセンジャー 一つの天体現象から得られる（であろう）様々なメッセージ （フォトン・グラビトン・ニュートリノ．．．）を皆で協力し て観測しましょう → “知らない宇宙”を理解しましょう！ 科研費：新学術領域「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」HPより

3 分・解・能 !!! VLBIの特徴（〜10年前） VLBIに閉じない共同研究が不可欠な時代 「秀」 「不可」 感度 俊敏性（機動性） 継続性
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 VLBIの特徴（〜10年前） VLBIに閉じない共同研究が不可欠な時代 「秀」 分・解・能 !!! 「不可」 感度 俊敏性（機動性） 継続性 → 他波長データに合わせられない（致命的）

4 VLBIの特徴（最近） 分・解・能 ! VLBIに閉じない共同研究が不可欠な時代 「秀」 「良・可」 感度（高感度化）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 VLBIの特徴（最近） VLBIに閉じない共同研究が不可欠な時代 「秀」 分・解・能 ! 「良・可」 感度（高感度化） 継続性（モニター観測 τ < a few weeks） 「不可」 俊敏性（機動性） → 電波干渉計全般に言えることではあるが ここを改善することで多波長・マルチメッセンジャー天文学へ貢献できないか？

5 The dynamic sky Radio phase-space
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 The dynamic sky Radio phase-space 継続時間〜17桁 T. Aoki, T. Tanaka, KN+14

6 The dynamic sky Radio phase-space
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 The dynamic sky Radio phase-space 2.2 MJy @9.25 GHz 0.4 nsec Mega-Jy ‘Nanoshot’ Hankins & Eilek+07, ApJ 継続時間〜17桁 TDE Swift J Zauderer+11, Nature T. Aoki, T. Tanaka, KN+14

7 Fast Transient Slow Transient Coherent emission
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 Fast Transient Coherent emission Short duration (< 1sec) Slow Transient Incoherent emission Long duration (>1sec) Stewart+2015 arXiv: v1 1.4 GHz Sν~30 Jy Δt ~ 5 ms DM~375 cm-3 pc -> Cosmological “1st FRB” Lorimer+07, Science SMC Time (milisecond) Freq. [GHz] Flux [mJy] “RRATs” McLaughlin+06, Nature 継続10分 77分周期 x 5 Galactic center region ~2 Hyman+05, Nature

8 Dynamic radio sky radio phase-space
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 Dynamic radio sky radio phase-space Coherent emission shorter duration FRBsの発見などで、時系列解析の発展が期待 Phase-spaceが埋まる可能性（未知の現象？）？ →これだけを目標にするのであれば、大規模プロジェクトでなくても研究できる可能性 しかしIDには高分解能観測（＝イメージング）によるlocalizingは必須 Incoherent emission Longer duration T. Aoki, KN+14

9 多様な時間スケールを持つ天体現象に対して、日本でどうするか？電波観測
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 多様な時間スケールを持つ天体現象に対して、日本でどうするか？電波観測 科研費（新沼）

10 空間・時間分解能 When? Where? Light curve/Time series Mainly imaging EHT
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 空間・時間分解能 When? EHT Jet base VLBA pc-scale jet Transient Localization @1 Gpc ALMA VLA/EVLA Transient host ID @1 Gpc 実際に世界で走っているモニタープログラムの場合, ~0.01micro Jy sensitivity (VLBAの場合)、EHTは感度無視 干渉計は基本イメージ一個を一点のデータとカウント（ie. イメージとイメージの間の時間分解能） すでにモニター等の実績がある装置のみ表記 赤：電波 Where? GMRT LOFAR, Fast Transient LOFAR Arecibo-ALFA Parkes MPS Light curve/Time series Mainly imaging

11 空間・時間分解能 突発天体の正体解明 → Localizationが不可欠！ i.e., VLBIは必須な技術 When? Where?
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 空間・時間分解能 When? EHT Jet base VLBA pc-scale jet Transient Localization @1 Gpc ALMA VLA/EVLA Transient host ID @1 Gpc 実際に世界で走っているモニタープログラムの場合, ~0.01micro Jy sensitivity (VLBAの場合)、EHTは感度無視 干渉計は基本イメージ一個を一点のデータとカウント（ie. イメージとイメージの間の時間分解能） すでにモニター等の実績がある装置のみ表記 赤：電波 Where? GMRT 突発天体の正体解明 → Localizationが不可欠！ i.e., VLBIは必須な技術 ※SKA phase1においても分解能は不十分（host IDが精一杯） LOFAR, Fast Transient LOFAR Arecibo-ALFA Parkes MPS Light curve/Time series Mainly imaging

12 VLBI追観測体制について 長時間突発現象に対応するVLBI追観測体制 ポイント Latency: < a few days
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 VLBI追観測体制について 長時間突発現象に対応するVLBI追観測体制 ポイント Latency: < a few days (→可能なら < a few hrs) 処理はオフラインでもOK

13 突発現象対応に必要なこと 俊敏性の向上: Latency < a few days 積極的な観測: 他（多）波長の突発現象
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 突発現象対応に必要なこと 俊敏性の向上: Latency < a few days 事前のToO提案という枠組みもあるが、未知の現象に対し ては難しい 大学主導の観測ならVLBIでも追観測体制構築可能か？ データ取得を最優先（処理はオフライン可） （現状）相関処理は国立天文台に頼らなければならない →ボトルネックは相関器 積極的な観測: 他（多）波長の突発現象 各種リソースの確保 アンテナ時間 マンパワー 記録容量 → 自分で相関処理を行えれば、限られた記録リソース の回転率は向上する（当然マンパワーも要するが）

14 山口局記録システム/相関器 ADS X000 OCTAVIA OCTADISK OCTADISK アナログ信号 デジタル信号
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 山口局記録システム/相関器 アナログ信号 ADS X000 デジタル信号 OCTAVIA E/O, O/E 10GbE 10 GbE ハブ 10GbE 記録 OCTADISK 24 TiB/36 TiB OCTADISK

15 山口局記録システム/相関器 ADS X000 OCTAVIA ファイルサーバー 山口VLBI相関器 RdidBox OCTADISK
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 山口局記録システム/相関器 アナログ信号 K5 based software corr. （GICO3 developed by NICT） ADS X000 デジタル信号 Storage (~60TB) -> ~2.5days 2Gbps observation is available OCTAVIA E/O, O/E ファイルサーバー OCTADISK format  VDIF 変換ソフト導入済み 山口VLBI相関器 (yamacorr1) 10GbE RdidBox 56 TiB (Raid 5+1) ~ 2.5日分の記録容量 10GbE 記録 10 GbE ハブ 10GbE 記録 10GbE 再生 OCTADISK 24 TiB/36 TiB OCTADISK

16 茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 1st Fringe by Yamacorr

17 大学主導のVLBI観測 突発現象へ対応する体制の構築は可能か？ 体制としてどこまで目指せるか？ 相関器導入→積極的に活用してもらいたい
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 大学主導のVLBI観測 突発現象へ対応する体制の構築は可能か？ 体制としてどこまで目指せるか？ 相関器導入→積極的に活用してもらいたい

18 茨城局、山口局、My相関器 そして 。。。 茨城大学セミナー, 2015 Dec 14
茨城局、山口局、My相関器 そして　　　。。。

19 JVN高感度・少数基線 基線感度（1σ 計算：ΔB=512 MHz, τ=5分）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVN高感度・少数基線 基線感度（1σ 計算：ΔB=512 MHz, τ=5分） θ~10 ミリ秒角 (山口-茨城) – 感度：0.5 mJy → 輝度温度 TB ~ 105 K（< σ） ~10 D=1kpc, ~2 z=0.01, ~20 z=0.1, ~160 z=1） θ~100 ミリ秒角 (茨城-つくば/鹿島) – 感度： 0.5 mJy → 輝度温度 TB ~ 103 K（< σ） （100 ※システムが最適化されていないなどにより現時点で観測値は計算値の ２倍程度悪い

20 茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVN高感度・少数基線 高品質かつ詳細なイメージング観測は「VLBA, EVN >> JVN」 だが、X帯の基線感度は「JVN > VLBA」（大口径の強み） 潜在的な機動力： JVN（1基線） > EVN 粗いけど、大規模な観測こそ『JVN＋高感度』！ 相関器の導入による観測→データ受け渡しまでの大幅な時間短縮 従来との比較（フリンジ検出） これまでのJVN:10mas, TB > ~ 107 → 明るいAGNのみ これからのJVN:10mas, TB < ~106 → ターゲットの増加（LLAGNs, SBs, SNRs, YSOs） →　簡単な観測方法（フリンジ検出狙い）で大量の天体を観測！ “VLBIで（意味ある値で）検出する”ことによって次のステップへ 他波長も含めた多くの研究者に分かりやすい観測

21 （それなり）高感度＋機動性 Massiveな観測を行うと興味深い現象（天体）が見 つかる（萌芽的研究に使えないか？）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 （それなり）高感度＋機動性 Massiveな観測を行うと興味深い現象（天体）が見 つかる（萌芽的研究に使えないか？） 多くの天体を対象にすることで“傾向”が見えてくる →統計的な研究ができる

22 VLBIによる観測 VLBIの高い角度分解能で検 出できる＝系外銀河の中心 の狭い領域に放射が集中し ている（〜AGNs）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 VLBIによる観測 VLBIの高い角度分解能で検 出できる＝系外銀河の中心 の狭い領域に放射が集中し ている（〜AGNs） 暗い天体はあまり統計的な 議論が進んでいない（観測 装置の事情） 暗い（ことが予想される） 天体を従来よりも高い感度 のVLBIにより網羅的に観測 する→系統的な探査 AGNの中でも明るいとはいえ、遠ければ暗い 遠ければ暗いことについても式を用いて説明？ これまでのVLBI観測は明るいブレーザーなら観測可能（感度不十分による）。 それゆえ、検出可能な距離に制限 Redshift distribution z~1.5に集中→観測装置の感度不十分によるバイアスと思われる ブレーザーで最も遠方z~5.4

23 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 1st trial つくば – 山口（実時間相関器使用）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 1st trial つくば – 山口（実時間相関器使用） In 2012 Dec τ: 3min/source, ΔB: 512 MHz (but effective ~ 300 MHz) Sensitivity: (observation) Samples: from radio catalog 28 AGN candidates within pos. error 150 Fermi un-assoc. sources (850 radio sources) On 27 sources, one VLBI source corresponds to one gamma-ray sources One gamma-ray source has 2 VLBIs (but marginal detections) Fermi-LATの位置誤差（赤丸）と電波源（等高線：NVSS）

24 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 1st trial つくば – 山口（実時間相関器使用）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 1st trial つくば – 山口（実時間相関器使用） In 2012 Dec τ: 3min/source, ΔB: 512 MHz (but effective ~ 300 MHz) Sensitivity: (observation) Samples: from radio catalog 28 AGN candidates within pos. error 150 Fermi un-assoc. sources (850 radio sources) On 27 sources, one VLBI source corresponds to one gamma-ray sources One gamma-ray source has 2 VLBIs (but marginal detections) New VLBI detections New VLBI marginals calibrator Fermi-LATの位置誤差（赤丸）と電波源（等高線：NVSS） Fujinaga+16

25 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK)
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK) 新検出(>~10σ)は全てTB > ~107 K Y. Fujinaga, KN+16, PASJ

26 このような天体に対しVLBAにおけるmulti-frequency follow-upを実施
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 このような天体に対しVLBAにおけるmulti-frequency follow-upを実施 JVNでの検出→他の装置を用いた観測時間の確保 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK) 新検出(>~10σ)は全てTB > ~107 K Y. Fujinaga, KN+16, PASJ

27 興味深い天体を詳細に研究 結果：28 new γ-ray AGN候補検出
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 興味深い天体を詳細に研究 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK) 新検出(>~10σ)は全てTB > ~107 K Y. Fujinaga, KN+16, PASJ

28 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK)
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 結果：28 new γ-ray AGN候補検出 Broadband Spectra NVSS J GeV 1.4 GHzはNVSS or FIRST, 8.4 GHzはJVN (YM-TK) 新検出(>~10σ)は全てTB > ~107 K Y. Fujinaga, KN+16, PASJ

29 JVNの結果を元にVLBAの時間取得 分解能1”@1.4GHzのフラックスに比べ、分解能0.01”@8.4 GHzのフラックスが３倍大きい
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVNの結果を元にVLBAの時間取得 GHzのフラックスが３倍大きい SSA (α~ -2.5)にしては比が小さい 両者の観測の間に20年間のブランク → γ線放射と関連した強度変動の可能性？ VLBA 2 – 15 GHz 北東方向にジェットが噴いている →現在の秒角スケールの構造を今後調査

30 統計：各種γ線ブレーザーの分布と比較 FSRQ LSP ブレーザーシーケンス (e.g., Fosatti+98) ISP HSP FSRQ
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 統計：各種γ線ブレーザーの分布と比較 FSRQ LSP ブレーザーシーケンス (e.g., Fosatti+98) ISP HSP FSRQ LSP ISP HSP ブレーザー以外の高輝度γ線天体の検出？ 藤永 2014年度修論

31 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 2nd trial 日立 – 山口（水沢ソフトウェア相関器）
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 JVN 1基線 vs Fermi un-IDs: 2nd trial 日立 – 山口（水沢ソフトウェア相関器） In 2015 Mar τ: 10min/source, ΔB: 512 MHz Target: 32 new un-IDs (|b|> 40deg) 98 radio sources Results: 19 detections 22 new VLBI sources Each of 18 new targets has one VLBI counterpart One new target has 4 VLBI counterparts 結果比較（打率） 1st Trial 2nd Trial 対　ガンマ線源数 28*/149 ~ 1割9分 19/32 ~ 6割0分 対　電波源数 29*/845 ~ 3分4厘 22/98 ~ 2割2分 顕著な差はなぜ？ Selection bias？ 感度？ “*”は14 marginal detections 含む

32 まとめ 突発天体のVLBI追観測/VLBIでの検出はSKA時代でも重要 少数基線だが、大学主体でVLBI観測が可能になった
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 まとめ 突発天体のVLBI追観測/VLBIでの検出はSKA時代でも重要 他波長・マルチメッセンジャー＋Localization (astrometryなどの日 本が持つ技術) ただし、どの程度「対応」できるか？ 相関器導入によって、俊敏性の向上に貢献できれば 少数基線だが、大学主体でVLBI観測が可能になった 学生やVLBIを使ったことのない研究者からも積極的に使用してもらえ れば 茨城大の学生にとってはほぼマイVLBI メータノールメーザの相関強度計測 他のアイデアももちろん歓迎 商用回線経由で少量のデータ伝送できればフリンジチェック も可能 システム最立ち上げ時やイメージング観測前のFC

33 茨城大学セミナー, 2015 Dec 14

34 天文観測 宇宙の進化史（銀河、星） 高エネルギー天体物理の実験場 時間方向のsnapshot（静的な姿） 時代（z）毎の構造
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 天文観測 宇宙の進化史（銀河、星） 時間方向のsnapshot（静的な姿） 時代（z）毎の構造 より深く、より細かく（高感度・高解像度） 高エネルギー天体物理の実験場 ダイナミカルな宇宙の描像の理解（動的な姿） 早い時間変動・突発的現象の検出（任意かつ高時間分解能）及び 起源の特定（高解像度） より早く、より広く、より細かく

35 動的宇宙の観測 Gamma, X, Opt. Radio Large FoV High time resolution
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 動的宇宙の観測 Gamma, X, Opt. Radio Large FoV High time resolution Low angular resolution Large scale study -> LC studies (especially vicinity of BHs) High angular resolution (Fourier synthesis) Small FoV Low time resolution Large FoV (Single dish) Low angular resolution High time resolution (∝sensitivity) θ x Δτ ~ const? (depending on resource)

36 The dynamic sky Optical phase-space
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 The dynamic sky Optical phase-space Rau+09

37 Current situation on the FRB
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 Current situation on the FRB What we should do Origin: unknown ⇒ need much more evidences Localization, SED No simultaneous detection with several telescopes and with multi- frequencies Usuda 1.4 GHz Yamaguchi 6-8 GHz

38 時間領域電波天文学 (Time domain radio astronomy)
茨城大学セミナー, 2015 Dec 14 時間領域電波天文学 (Time domain radio astronomy) トランジェント（fast, slow） 検出及び起源の同定（推定） 任意の時間分解能、高空間分解能（~10 mas）＋位置天文 →localization 放射メカニズム→localization, theory 重力波源のプローブ（e.g., NS-NS; inspiral, afterglow） FRBs: potentially cosmological probe (large SKAと相補的?なtime domain array 広い時間幅に感度を持つアレイ Fourier synthesis or direct imaging (spatial FFT) ものを増やす、だけでなく相補的な新しいテクニックの検討

39 第２回大師堂G勉強会, 2015 Dec 11 LOFAR transient 3C61.1

40 LOFAR transient Hit the long duration radio transient!
第２回大師堂G勉強会, 2015 Dec 11 LOFAR transient Hit the long duration radio transient!