[論文レビュー] Low frequency radio astronomy from the moon: cosmic reionization and more

C. L. Carilli, Jacqueline N. Hewitt+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2007

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、地球の電波干渉や電離層の位相ゆがみを克服するため、月の背面に低周波数電波望遠鏡を設置し、赤方偏移したHI 21cm線を用いて宇宙の再電離時代を研究することを提案する。主な貢献は、月面低周波数電波天文のロードマップであり、フィールドテスト用の地上ベースのアレイと、中性銀河間媒体の3次元トモグラフィックイメージングを実現する大規模な月面干渉計の段階的展開を含む。

ABSTRACT

We discuss low frequency radio astronomy from the moon, predominantly in the context of studying the neutral intergalactic medium during cosmic reionization using the HI 21cm line of neutral hydrogen. The epoch of reionization is the next frontier in observational cosmology, and HI 21cm studies are recognized as the most direct probe of this key epoch in cosmic structure formation. Current constraints on reionization indicate that the redshifted HI 21cm signals will likely be in the range of 100 MHz to 180 MHz, with the pre-reionization signal going to as low as 10 MHz. The primary observational challenges to these studies are: (1) ionospheric phase fluctuations, (ii) terrestrial radio frequency interference, and (iii) Galactic and extragalactic foreground radiation. Going to the far side of the moon removes the first two of these challenges. Moreover, a low frequency telescope will be relatively easy to deploy and maintain on the moon, at least compared to other, higher frequency telescopes. We discuss the potential 21cm signals from reionization, and beyond, and the telescope specifications needed to measure these signals. The near-term ground-based projects will act as path-finders for a potential future low frequency radio telescope on the moon. If it is found that the terrestrial interference environment, or ionospheric phase fluctuations, preclude ground-based studies of reionization, then it becomes imperative to locate future telescopes on the far side of the moon. Besides pursuing these path-finder reionization telescopes, we recommend a number of near-term studies that could help pave the way for low frequency astronomy on the moon.

研究の動機と目的

• 構造形成期の中性水素の最も感受性の高いプローブである赤方偏移したHI 21cm線を通じて、宇宙の再電離時代の直接観測を可能にすること。
• 地上の電波干渉（RFI）と電離層の位相ゆらぎが低周波数電波天文観測を妨げるのを克服すること。
• 月面に大規模な低周波数アレイを設置するにあたり、技術的・環境的・計算的課題を特定し、それらに対処すること。
• 将来の月面電波望遠鏡を支援するための短期的調査とインfra構築を推奨すること。
• 国際的連携を促進し、国際電気通信連合（ITU）の規則に従って月の背面を電波静穏地域として保護することを提言すること。

提案手法

• 地球の電離層と地上のRFIを避けるために、月の背面に電子指向性ドーナツアレイを設置すること。
• 極域のクレーターなどの月の自然な地形を活用し、地球からの電波信号に対して恒久的な影と遮蔽を提供すること。
• 特にデータレートが最大1.6 Tb/sに達する大規模アレイの場合にダウンリンクのデータレートを低減するため、月面でのデータ相関処理を実装すること。
• LOFAR、MWA、HERAなどの地上フィールドテストアレイを活用し、アレイ設計、キャリブレーション、前景除去技術の検証を行うこと。
• 広視野イメージングと自己キャリブレーション技術を適用して電離層ゆらぎの影響を低減し、月が安定した歪みのないプラットフォームを提供すること。
• 200 MHz未満の周波数における信号伝搬に与える影響を評価するため、月面での電離層の現地調査を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月面に設置された低周波数電波望遠鏡は、宇宙の再電離時代からの微弱な赤方偏移HI 21cm信号を検出するために必要な感度とダイナミックレンジを達成できるか？
• RQ2 地上のフィールドテストアレイ（LOFAR、MWA、HERAなど）は、電離層の位相ゆらぎと地上のRFIをどれだけ克服できるか？ これが再電離信号の最初の検出を可能にするか？
• RQ3 大規模な月面電波アレイを設置するにあたり、電力、計算能力、RFI遮蔽などの環境的・工学的制約は何か？
• RQ4 200 MHz未満の周波数帯で、月の背面が地球からの電波干渉に対してどれほど効果的に遮蔽できるか？
• RQ5 フェーズドアレイドーナツと月面での相関処理は、月面望遠鏡のデータ送信要求をどれほど低減できるか？

主な発見

• 月の背面は、地球の電離層の位相ゆらぎと地上のRFIがなく、高精度な低周波数観測に適した独自の電波静穏環境を提供する。
• 地球では電離層の位相誤差が低周波数でのイメージングを劣化させ、74 MHzでコherentなパッチサイズがたった3°–4°にまで制限され、複雑なキャリブレーションがなければ広視野イメージングが困難である。
• LOFAR、MWA、HERAなどの地上フィールドテストアレイは、月面設置に先立ってアレイ設計、キャリブレーション、前景除去技術の検証に不可欠である。
• 大規模な月面アレイのデータレートは最大1.6 Tb/sに達する可能性があり、月面での相関処理と低消費電力スーパーコンピューティングソリューションの導入が不可欠である。
• 月の電離層が存在する場合、そのプラズマ周波数は最低1 MHzにまで低下する可能性があるが、200 MHz未満の周波数帯での信号伝搬に与える影響は不確実であり、現地測定が必要である。
• 提言事項として、月面電波望遠鏡作業部会の設立と、ITU規則22.22の適用による月の背面の電波静穏地域としての保護を推奨する。