次世代電波望遠鏡のためのセンチ波・メートル波偏波スペクトル解析ソフトウェアの開発

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26610048
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 高橋 慶太郎 熊本大学, 自然科学研究科, 准教授 (80547547)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 電波天文学 / 宇宙磁場 / 偏波 / マルコフ連鎖モンテカルロ法

研究実績の概要

次世代低周波電波望遠鏡Square Kilometre Array (SKA)のパスファインダーであるAustralian SKA Pathfinder (ASKAP)やLOw Frequency ARray (LOFAR)の全天偏波サーベイのためのデータ解析ソフトウェアの開発を行った。特に偏波スペクトルからファラデートモグラフィと呼ばれる手法で磁場・熱的電子・宇宙線電子の視線方向の分布の情報を引き出すアルゴリズムの研究を行った。このソフトウェアではマルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC法）という手法を用いて偏波源に関するモデルパラメータを効率的に探索することに成功している。MCMC法を用いたこのソフトウェアはASKAPの偏波サーベイPOSSUMのデータ解析パイプラインに組み込まれ、実際の観測に備えている。
またRM CLEANと呼ばれる異なるアルゴリズムを用いたソフトウェアの開発も行った。RM CLEANに関しては実際の観測でどの程度の性能を発揮するかをシミュレーションするパフォーマンステストを行い、学術論文として出版した（Miyashita et al. PASJ 2016）。さらに、将来の全天偏波サーベイから得られるrotation measure gridによって宇宙磁場に関してどのような情報が得られるかについても予測し学術論文を出版した（Vacca et al. A&A 2016）。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の予定ではASKAPの偏波サーベイ観測POSSUMが２０１５年度に開始される予定であったが、それが遅延して２０１６年度の開始となった。そのため開発したソフトウェアを実際のデータに適用して宇宙磁場の研究をすることはまだ行われていないが、ソフトウェアの開発自体は順調に進み、POSSUMのデータ解析パイプラインにソフトウェアに組み込むことに成功している。またRM CLEAN法のソフトウェアに関してはパフォーマンスをテストすることも完了している。そのため研究はおおむね順調に進展していると考えることができる。

今後の研究の推進方策

MCMC法を用いたソフトウェアをさらに改良し、レプリカ交換法などのより先進的なアルゴリズムを組み込むことを目指す。これにより、従来のMCMC法の弱点、例えばデータフィットの収束が遅かったり、間違ったパラメータ推定を行ってしまったり、を克服する。これによりPOSSUM計画で得られるであろう100万天体という膨大なデータに対応できるようにする。
予定通りPOSSUMサーベイが行われたら開発したソフトウェアを用いてデータ解析を行い、宇宙磁場の研究を行う。特に、銀河の磁場、熱的電子、宇宙線電子の３次元構造を探り、銀河磁場がどのように増幅・維持されているかの研究を行う。さらに視線上に複数の偏波源がある状況でファラデートモグラフィを行い、銀河に付随しない宇宙論的磁場の検出を目指す。

次年度使用額が生じた理由

電波望遠鏡ASKAPの偏波サーベイ計画POSSUMは2015年度に観測が開始される予定であったが延期されたため、オーストラリアへの渡航を取りやめたため。

次年度使用額の使用計画

偏波サーベイ計画は2016年度に観測が開始される見込みであるため、それに合わせてオーストラリアに渡航するのに使用する。

研究成果

• [国際共同研究] CSIRO/シドニー大学/メルボルン大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: CSIRO/シドニー大学/メルボルン大学
• [雑誌論文] Using rotation measure grids to detect cosmological magnetic fields -- a Bayesian approach (2016)
  • 著者名/発表者名: V. Vacca, N. Oppermann, T. Ensslin, J. Jasche, M. Selig, M. Greiner, H. Junklewitz, M. Reinecke, M. Brueggen, E. Carretti, L. Feretti, C. Ferrari, C. A. Hales, C. Horellou, S. Ideguchi, M. Johnston-Hollitt, R. F. Pizzo, H. Roettgering, T. W. Shimwell and K. Takahashi
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 未定 ページ: 未定
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Performance test of RM CLEAN and its evaluation with chi-square value (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshimitsu Miyashita, Shinsuke Ideguchi and Keitaro Takahashi
  • 雑誌名: Publications of Astronomical Society of Japan 巻: 未定 ページ: 未定
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetic Field Spectrum at Cosmological Recombination Revisited (2015)
  • 著者名/発表者名: Shohei Saga, Kiyotomo Ichiki, Keitaro Takahashi and Naoshi Sugiyama
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 91 ページ: 123510
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.91.123510
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Studying 21cm power spectrum with one-point statistics (2015)
  • 著者名/発表者名: Hayato Shimabukuro, Shintaro Yoshiura, Keitaro Takahashi, Shuichiro Yokoyama and Kiyotomo Ichiki,
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 451 ページ: 467-474
  • DOI: 10.1093/mnras/stv965
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sensitivity for 21cm Bispectrum from Epoch of Reionization (2015)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Yoshiura, Hayato Shimabukuro, Keitaro Takahashi, Rieko Momose, Hiroyuki Nakanishi and Hiroshi Imai,
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 451 ページ: 266-274
  • DOI: 10.1093/mnras/stv855
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Pulsars and gravitational waves measured with the SKA (2016)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Takahashi
  • 学会等名: Australia-Japan School on Low Frequency Astrometry in the SKA Era
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2016-03-31 – 2016-03-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cosmology with Square Kilometre Array and synergies with CMB (2015)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Takahashi
  • 学会等名: Fourteenth Marcel Grossmann Meeting
  • 発表場所: イタリア・ローマ
  • 年月日: 2015-07-17 – 2015-07-17
  • 国際学会 / 招待講演