[論文レビュー] FARSIDE: A Low Radio Frequency Interferometric Array on the Lunar Farside

Jack O. Burns, Gregg Hallinan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

Planetary Science and Exploration被引用数 11

ひとこと要約

FARSIDEは、月の背面に128素子の低周波数電波干渉計アレイを配置することで、100 kHz から 40 MHz の宇宙電波信号を途切れなく、外部からの電波妨害なしに観測することを目的としている。月の背面を電波静穏なプラットフォームとして活用することで、宇宙の暗黒時代（赤方偏移 z=50–100）の全球21cm信号を検出するとともに、系外惑星の磁気圏を特徴づけ、軌道上を回るビーコンを用いた高感度で正確なキャリブレーションにより、太陽系現象を精密に研究することを目的としている。

ABSTRACT

FARSIDE (Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets) is a Probe-class concept to place a low radio frequency interferometric array on the farside of the Moon. A NASA-funded design study, focused on the instrument, a deployment rover, the lander and base station, delivered an architecture broadly consistent with the requirements for a Probe mission. This notional architecture consists of 128 dual polarization antennas deployed across a 10 km area by a rover, and tethered to a base station for central processing, power and data transmission to the Lunar Gateway. FARSIDE would provide the capability to image the entire sky each minute in 1400 channels spanning frequencies from 100 kHz to 40 MHz, extending down two orders of magnitude below bands accessible to ground-based radio astronomy. The lunar farside can simultaneously provide isolation from terrestrial radio frequency interference, auroral kilometric radiation, and plasma noise from the solar wind. This would enable near-continuous monitoring of the nearest stellar systems in the search for the radio signatures of coronal mass ejections and energetic particle events, and would also detect the magnetospheres for the nearest candidate habitable exoplanets. Simultaneously, FARSIDE would be used to characterize similar activity in our own solar system, from the Sun to the outer planets, including the hypothetical Planet Nine. Through precision calibration via an orbiting beacon, and exquisite foreground characterization, FARSIDE would also measure the Dark Ages global 21-cm signal at redshifts z=50-100. The unique observational window offered by FARSIDE would enable an abundance of additional science ranging from sounding of the lunar subsurface to characterization of the interstellar medium in the solar system neighborhood.

研究の動機と目的

• 未開拓の電波窓にアクセスするため、月の背面に低周波数電波干渉計のプローブクラスミッション概念を開発すること。
• 地球の電波放射から遮断された月の背面に配置することで、地上の電波周波数干渉やプラズマノイズを克服すること。
• 高い感度と正確なキャリブレーションを実現し、宇宙の暗黒時代（赤方偏移 z=50–100）の全球21cm信号を検出すること。
• コロナ質量噴出や高エネルギー粒子イベントの電波的兆候を、星々の系を同時にモニタリングすることで検出すること。
• 近隣の居住可能な系外惑星の磁気圏を特徴づけ、太陽系の太陽から外惑星に至るまでの天体を研究すること。

提案手法

• 専用の展開ローバーを用いて、月の背面に10 kmの範囲に128本の双極性ダイポール素子を展開する。
• 電力供給、データ処理、および月のゲートウェイへの通信を担う中央ベースステーションに、アンテナをケーブルで接続する。
• 周波数と時間にわたるアレイ応答の正確な絶対キャリブレーションのために、軌道上を回るビーコンを活用する。
• 明るい天体的前景からの微弱な全球21cm信号を分離するために、先進的な前景除去技術を実装する。
• 月の自然な地形と背面の遮断効果を活用して、地上のRFIおよび太陽風プラズマノイズを最小限に抑える。
• 100 kHz から 40 MHz の1400周波数チャンネルにわたって、毎分1回、空全体をリアルタイムでイメージングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月の背面に設置された低周波数電波干渉計は、暗黒時代の全球21cm信号を検出するのに十分なダイナミックレンジとキャリブレーション安定性を達成できるか？
• RQ2 月の背面は、低周波数宇宙現象を観測するための電波静穏環境をどの程度効果的に提供できるか？
• RQ3 近隣の星々の系から、コロナ質量噴出および高エネルギー粒子イベントのどの電波的兆候を検出できるか？
• RQ4 低周波数での電波放射を用いて、候補となる居住可能な系外惑星の磁気圏をどのように探査できるか？
• RQ5 太陽から外惑星まで、惑星9を含む太陽系の活動を、低周波数電波放射を通じて同時に特徴づけられるか？

主な発見

• 提案されたアレイは、100 kHz から 40 MHz の1400チャンネルにわたって、地上の限界よりも2桁以上低い周波数までをカバーし、毎分1回、空全体をイメージングできる。
• 月の背面は、地上のRFI、オーロラキロメトリック放射、太陽風プラズマノイズから効果的に遮断され、ほぼ連続的なモニタリングが可能である。
• 軌道上ビーコンによる正確なキャリブレーションにより、赤方偏移 z=50–100 における全球21cm信号の検出に必要な感度を達成できる。
• アレイの構造は、系外惑星の磁気圏、太陽活動、太陽系近辺の銀河間物質の特性を同時に観測することを可能にする。
• 設計スタディーにより、ローバーが10 kmにわたって128素子のアレイを展開し、ベースステーションにケーブルで接続するプローブクラスミッションの実現可能性が確認された。
• このシステムにより、月の地下の音響探査と、低周波数電波の伝播を用いた銀河間物質の特徴づけが可能になる。