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ALMA Atacama Large Millimeter Array

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ALMA Atacama Large Millimeter Array
ALMA
Atacama Large Millimeter Array
Collaborazione Europa + U.S.A. + Giappone
1)
2)
3)
4)
5)
Perché (sub)millimetrico?
Perché interferometro?
Caratteristiche dello strumento
Confronto con Plateau de Bure
Alcuni obiettivi scientifici
Perché (sub)millimetrico
Vantaggi a λ ≤ 7mm:
• >100 molecole: prevalentemente nel (sub)mm
• >1000 righe rotazionali/vibrazionali
• continuo termico da polvere fredda (Iν  ν3)
• sincrotrone da plasma
• picco del microwave background
• picco spettro comete, pianeti
• picco spettro galassie starburst a z > 1
Perché interferometro
Alta risoluzione angolare necessaria, per es.:
• galassie a z > 1 risolte con λ /D = 0.1”
λ = 7 mm  D = 14 km
• dischi circumstellari ≤1000 AU a qualche kpc
risoluzione ≤0.1”, λ = 3 mm  D ≥ 7 km
Sensibilità interferometro:
σT  D2 TSYS / A N (δν t)½
alta risoluzione (D)  grande area collettrice (AN)
Esempio:
λ = 1.3 mm, D = 12 km, TSYS = 140 K,
t = 1 ora, NA = 7000 m2
Continuo (δν = 16 GHz): 5σ = 2 K
Riga (δv = 0.5 km/s): 5σ = 290 K
N  A = cost. ≈ 7000 m2, quindi:
N grande, A piccola:
• miglior puntamento
• campo di vista grande
• maggior numero di baseline
N piccolo, A grande:
• meno ricevitori
• correlatore più semplice
• maggior sensibilità su ogni baseline
Alta frequenza  errore superficie 20 μm
 massimo diametro 12 m  64 antenne
Sito: Chajnantor
• Deserto di Atacama, Cile; altitudine 5000 m,
latitudine -23°  δ < 55°
•
•
•
•
Emisfero sud, ricco e poco noto a λ < 3 mm
Centro operativo: S. Pedro, 1 ora d’auto
Clima: -20 – +20 °C, umidità < 30%
Ottima trasparenza atmosferica
Caratteristiche ALMA
Europa+U.S.A.+Giappone
costo: ~800 M$
• Antenne: 64  12m; HPBW ≥ 7”; resistenti da -20
a +20 °C; operative con vento ≤10m/s
3 prototipi: Europa (EIE), U.S.A. (Vertex),
Giappone (Mitsubishi)
• Puntamento: 0.6” relativo, 2” assoluto
• Configurazioni: 5 diverse, D = 150 m – 14 km;
2016 linee di base
• Risoluzione angolare: 0.2” λ(mm)/D(km) > 0.004”
• Copertura in frequenza: 31 GHz – 950 GHz
(1 cm – 300 μm) con 10 bande
• Ricevitori: banda = 8 GHz  2 polarizz.;
TR = 20–50 K per λ > 2 mm,
TR = 6–10 hν/k per λ < 2 mm
• Software: schedula flessibile; prima riduzione
automatica; database delle immagini ridotte
ACA (Atacama Compact Array): altro piccolo
interferometro 12  7m; 1 config. compatta
ALMA+ACA+Single Dish (4 da 12m): risolve il
problema del “missing flux” per sorgenti estese
ALMA vs PdB
σT  D2 TSYS / Atot (δν t)½
TSYS Atot
ALMA
PdB
⅓
7
δν
D
1 riga
1 – 30
20 cont.
Esempi a λ fissata:
•
•
•
Stessi σ e D  tPdB/tALMA = 500 riga
= 10000 cont.
 più veloce: grandi surveys
Stessi t e D  σPdB/σALMA = 20 riga
= 100 cont.
 più sensibile: oggetti deboli
Stessi t, σ e risol. lin. (Ddist.)  dALMA/dPdB = 5 riga
= 10 cont.
 più profondo: 100–1000 volte più oggetti
ALMA sarà vari ordini di grandezza meglio di PdB
Obiettivi Scientifici
•
•
•
•
•
•
•
Galassie ad alto red-shift
Nuclei protostellari e IMF
Dischi attorno a oggetti stellari giovani
Inviluppi circumstellari in stelle late type
Oggetti del sistema solare
Pianeti extra-solari
Ecc. ecc…
Galassie ad alto red-shift
• Continuo: ottico e UV oscurati dalla polvere 
picco nel FIR, red-shifted nel sub-mm
• Riga: CO già osservato a z = 4.7
ALMA:
• Continuo: 2 mesi, 350 GHz , campo 1°,
risoluzione 0.01”  5σ = 0.7 mJy  15000
galassie con Lgal>1011 L☉ a z ≫ 1
• Riga: 17 giorni, 4’  4’  300 galassie nel
continuo a 250 e 300 GHz e in 1– 2 righe del CO
anche a z > 6
Omont et al. (1996)
PdB interf.
z = 4.7
Nuclei protostellari e IMF
Situazione attuale:
• Nubi molecolari: funzione di massa ≠ IMF stelle
• Cores protostellari: funz. di massa ≈ IMF stelle
per Mcore > 0.1 M☉
ALMA:
• Sensibilità  IMF fino a masse planetarie
• Risoluzione  sistemi (proto)stellari multipli
Testi et al.
(2000)
OVRO
interf.
Motte et al. (1998)
IRAM 30m tel.
Dischi in YSOs
Situazione attuale:
• Stelle M* < 5 M☉: Rdisk ≈ 102 AU  dist. < 200 pc
• Stelle M* > 5 M☉: Rdisk ≈ 103 AU ?  dist. < 2 kpc
ALMA:
• M* < 5 M☉ fino a 2 kpc
• M* > 5 M☉ fino a 20 kpc (tutta la galassia)
• 30 volte più dischi nella riga, 100 volte nel
continuo
Guilloteau et al. (1999)
PdB interf.
PdB interf.
Cesaroni et al.
PdB interf.
VLBA
Inviluppi circumstellari
• Ricchi di molecole e polvere
• Shell: dinamica, composizione, rapporti isotopici
ALMA:
• Struttura chimico-fisica fino a 3 AU per tutte le
stelle entro 200 pc in 1 mese
• Osservazione simultanea di molte righe
• Misura moti propri in ≥ 1 anno:
dist. < 200 pc  15 km/s  1 y > 0.016”
IRC+10216
Interferometro PdB
HPBW=3”
Guélin et al. (1996)
Sistema solare
• Kuiper Belt: oggetto di 200 km (0.007”) a 40 AU
 F230GHz ≃ 50 μJy ~ 10σ in 1 ora con ALMA
• Plutone (0.14”) & Caronte (0.08”):
separazione 0.5”, brillanza P+C ≃ 39 K (con
IRAM 30m);
con ALMA: 1σ ≃ 1 K a 400 GHz in 1 ora con
risoluzione 0.02”
Plutone & Caronte
0.02”
Courtesy Mark W. Buie, Lowell Observatory
Extrasolar planets
• Sole + Giove a 1.3 kpc (α Cen): puntiformi,
separazione 3.9” ≫ beam ALMA;
F(Sole)/F(Giove)=3000 < range dinamico ALMA;
F230GHz(Giove)≃ 6 μJy ~ 5σ in 70 ore con ALMA
• Gaps in dischi circumstellari dovuti a pianeti: si
possono risolvere con ALMA
Simulazione di gap dovuto a un “giove” a 7 AU dalla stella e
mappa simulata con ALMA a 350 GHz (Gueth et al. 2001)
Conclusioni
• Svariati ordini di grandezza superiore a
interferometri millimetrici attuali
• “Tutti” i campi di ricerca astronomica
• Utilizzabile in modo relativamente
semplice anche da non radioastronomi!
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