[論文レビュー] BINGO: a single dish approach to 21cm intensity mapping

Richard A. Battye, Michael D. Brown+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Advanced Vision and Imaging参考文献 7被引用数 35

ひとこと要約

BINGOは、2000 deg²をカバーするドリフトスキャン調査を用いて、21cm強度マッピングを実施する単一電波望遠鏡40mを提案する。960–1260 MHzで動作し、疑似相関受信機を用いることで、1年間で音響スケールの2.4%の測定精度を達成し、ダークエネルギーおよび宇宙論的パラメータの精密な制約が可能となる。

ABSTRACT

BINGO is a concept for performing a 21cm intensity mapping survey using a single dish telescope. We briefly discuss the idea of intensity mapping and go on to define our single dish concept. This involves a \sim 40 m dish with an array of \sim 50 feed horns placed \sim 90 m above the dish using a pseudo-correlation detection system based on room temperature LNAs and one of the celestial poles as references. We discuss how such an array operating between 960 and 1260 MHz could be used to measure the acoustic scale to 2.4% over the redshift range 0.13

研究の動機と目的

• 21cm強度マッピングのための大型アンテナアレイの代替手段として、費用対効果に優れた単一電波望遠鏡の開発。
• ドリフトスキャン調査を用いて、バリオン音響振動（BAO）スケールを3%未満の精度で測定すること。
• 室温LNAを用いた疑似相関検出システムにより、低周波数電波受信機における1/fノイズを低減すること。
• 21cmパワー スペクトルを用いて、ダークエネルギーおよび修正重力に関する高精度な宇宙論的制約を可能とすること。
• 固定式の単一電波望遠鏡が、埋め込みアンテナアレイを必要とせずに、競争力のある感度および分解能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 30 cm波長において、40 mの放物面鏡と25 mの照照明領域を用いて、ビーム分解能を約40 arcmin（2/3 deg）に達成する。
• 50要素のフィードホーンアレイを、電波望遠鏡の上に90 mのブームに吊り下げる方式により、広い瞬時の視野（10 deg × 2 deg）を実現する。
• 疑似相関受信機システムは、ハイブリッド素子を用いて信号の差分と和をとり、増幅前に処理することで、LNAの1/fゲインゆらぎをキャンセルする。
• 各疑似相関ペアのリファレンスビームは、天の北極を向けるように設定され、同じスペクトルを持つ安定した低分解能スペクトル基準を提供する。
• 900–960 MHzの携帯電話帯域を避けるために、960～1260 MHzで動作させ、室温LNAを用い、システム温度を50 Kに保つ。
• 一定のDeclinationで10 deg × 200 degのドリフトスキャン調査を実施し、約1年間のオンソース積分時間で、約2000 deg²を2/3 degの分解能でカバーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21cm強度マッピングを用いた単一電波望遠鏡が、バリオン音響スケールの3%未満の精度で測定を達成できるか？
• RQ2 低温冷却を要しない疑似相関受信機システムが、低周波数電波受信機における1/fノイズを効果的に低減できるか？
• RQ3 ブーム支持構造を用いた大規模フィードホーンアレイを単一電波望遠鏡に適用することで、広い瞬時の視野を達成できるか？
• RQ4 固定式の電波望遠鏡が、ドリフトスキャン調査を実施することで、ダークエネルギーに関する宇宙論的制約に必要な十分な体積と信号対雑音比を達成できるか？
• RQ5 赤方偏移範囲0.13 < z < 0.48における21cmパワー スペクトルの信号対雑音比を最大化する最適な観測戦略および周波数帯域は何か？

主な発見

• BINGO調査は、赤方偏移範囲0.13 < z < 0.48において、音響スケールの測定誤差を2.4%に抑え、δkA/kA ≈ 0.024に相当する。
• 1年間のオンソース積分により、パワー スペクトルの予想される誤差は十分に低く、バリオン音響振動特徴を解像可能である。
• システムは、定数wの下でダークエネルギー状態方程式をδw/w ≈ 0.16の精度で制約できる、体積平均距離測定dV(z)を達成する。
• 疑似相関受信機システムは、1/fノイズを効果的にキャンセルし、室温LNAと50 Kのシステム温度を用いた安定した測定を可能にする。
• 50要素のフィードホーンアレイは、10 deg × 2 degの瞬時の視野を提供し、1回のドリフトスキャンで2000 deg²の調査を実現する。
• 望遠鏡設計は、θmin > 10 degを維持することで、バンドパワーが相関しないようにし、Δk > π/(θmin r(z)) を満たし、音響スケールの分解能を保持する。