[論文レビュー] NASA Probe Study Report: Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets (FARSIDE)

Jack O. Burns, Gregg Hallinan+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

FARSIDEは、月の裏側に128素子の低周波数電波干渉計アレイを設置し、ダークエイジス（赤方偏移50〜100）からの宇宙の21cm信号を検出するとともに、系外惑星や太陽系天体からの電波パルスを探索する。ローバーを用いて展開するアンテナアレイをベースステーションに接続することで、月の裏側の電波的静穏性を活用し、グローバル21cm信号の高動態範囲測定およびコロナ質量放出や惑星磁気圏の検出を実現する。

ABSTRACT

This is the final report submitted to NASA for a Probe-class concept study of the "Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets" (FARSIDE), a low radio frequency interferometric array on the farside of the Moon. The design study focused on the instrument, a deployment rover, the lander and base station, and delivered an architecture broadly consistent with the requirements for a Probe mission. This notional architecture consists of 128 dipole 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, or an alternative relay satellite. FARSIDE would provide the capability to image the entire sky each minute in 1400 channels spanning frequencies from 150 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. Through precision calibration via an orbiting beacon, and exquisite foreground characterization, FARSIDE would also measure the Dark Ages global 21-cm signal at redshifts from 50-100. It will also be a pathfinder for a larger 21-cm power spectrum instrument by carefully measuring the foreground with high dynamic range.

研究の動機と目的

• 宇宙のダークエイジスにおけるグローバル21cm信号を用いた研究を目的とした、月の裏側に低周波数電波アレイを設置するプローブクラスのミッション概念を設計すること。
• 近隣の星系におけるコロナ質量放出や高エネルギー粒子イベントからの電波放射を検出すること。
• 太陽および外惑星の太陽系内での電波活動を特徴付けること。
• 将来の21cmパワー スペクトル計測機器のための高動態範囲フォアグラウンド補正を可能にすること。
• 分散型アンテナアレイを用いて、低周波数電波源の継続的かつ全天監視を実現すること。

提案手法

• モバイル展開ローバーを用いて、月の裏側に10kmの範囲にわたり128本のダイポールアンテナを展開する。
• 電力供給、データ処理、および月ゲートウェイまたは中継衛星へのリレーリンクを目的とした中央ベースステーションにアンテナを接続する。
• アレイの応答を高精度に絶対校正するために、軌道上ビーコンを活用する。
• 月の裏側の自然的な電波的静穏性を活用し、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を回避する。
• 微弱なグローバル21cm信号を天体的フォアグラウンドから分離するため、先進的なフォアグラウンドモデリングおよび校正技術を実装する。
• 150kHz〜40MHzの周波数帯域で1400チャンネルにわたり運用し、1分ごとに全天イメージングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月の裏側に設置された低周波数電波アレイは、ダークエイジスからのグローバル21cm信号を検出するのに必要な動態範囲と感度を達成できるか？
• RQ2 月の表面に大規模かつモバイル式のアンテナアレイを展開・校正することが可能か？
• RQ3 アレイは、活発な磁気圏を有する系外惑星およびその主星からの電波パルスを検出できるか？
• RQ4 月の裏側は、地上および太陽からの電波干渉をどの程度効果的に遮断できるか？
• RQ5 FARSIDEアレイは、将来の21cmパワー スペクトル実験のパイロットプロジェクトとしてどの程度の役割を果たせるか？

主な発見

• FARSIDEアーキテクチャは、150kHz〜40MHzの周波数帯域を1400チャンネルにわたり、1分ごとに全天イメージングを実現し、地上電波天文観測がカバーできない周波数帯域までをカバーする。
• 月の裏側は、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の自然的隔離を提供し、ほぼ連続的な監視を可能にする。
• アレイは、近隣の星系からのコロナ質量放出や高エネルギー粒子イベントの電波的特徴を検出可能である。
• アレイは、最も近い候補の居住可能な系外惑星の磁気圏からの電波放射を検出可能である。
• 軌道上ビーコンの使用により、高動態範囲フォアグラウンド差し引きに不可欠な高精度絶対校正が可能になる。
• FARSIDEは、フォアグラウンドを高精度かつ高動態範囲で測定することで、将来の21cmパワー スペクトル計測機器のパイロットプロジェクトとしての役割を果たす。