[論文レビュー] Probing Radio Intensity at high-Z from Marion: 2017 Instrument

Liju Philip, Zara Abdurashidova+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

PRI Z M は南アフリカのマリオン島における低周波数電波実験であり、21 cm信号の全球的平均を測定するため、双偏波 70 MHz および 100 MHz ラジオメータを用いる。この装置は、FM帯域で検出可能なRFIがない極めて電波静穏な環境を示しており、今後の低周波数宇宙論実験にとって最適な場所であるマリオン島の適性を確認している。

ABSTRACT

We introduce Probing Radio Intensity at high-Z from Marion (PRIZM), a new experiment designed to measure the globally averaged sky brightness, including the expected redshifted 21 cm neutral hydrogen absorption feature arising from the formation of the first stars. PRIZM consists of two dual-polarization antennas operating at central frequencies of 70 and 100 MHz, and the experiment is located on Marion Island in the sub-Antarctic. We describe the initial design and configuration of the PRIZM instrument that was installed in 2017, and we present preliminary data that demonstrate that Marion Island offers an exceptionally clean observing environment, with essentially no visible contamination within the FM band.

研究の動機と目的

• 宇宙暁の21 cm吸収ライン（最初の星からの赤方偏移した21 cm信号）の全球的平均の輝度温度信号を検出すること。
• 明るい天体的前景、電離圏の揺らぎ、および電波干渉（RFI）といった課題を克服し、宇宙論的信号が模倣されたり、隠されたりするのを防ぐこと。
• マリオン島（最近の有人施設から2000 km離れている）が低周波数電波天文観測に適しているかどうかを評価すること。
• マリオン島のような遠隔で孤立した場所が、微弱な全球的21 cm信号を検出するために不可欠なRFIフリーな環境を提供できることを実証すること。
• 2017年の長期テストベッドとして、校正済みで二重周波数のラジオメータシステムを設置・検証することで、将来の低周波数実験の基盤を確立すること。

提案手法

• 70 MHz および 100 MHz で動作する、双偏波を備えた2つの HIBiscus 四角形アレイアンテナを用い、広帯域かつ高感度な天の電波輝度測定を実現。
• 信号チェーンには低雑音アンプ（LNA）、50 Ω および 100 Ω の校正抵抗スイッチ、250 MHz のADCサンプリングシステムを設け、天体と校正信号の両方をデジタル化。
• ハイパスフィルタと時間平均処理を用いて、銀河の電波輝度からの大規模スペクトル特徴を分離し、一時的ノイズおよびRFIアーチファクトを低減。
• 既知の温度を持つ抵抗（50 Ω および 100 Ω）を用いた校正により、LNAの雑音をモデル化し、インピーダンス不整合の影響を定量化することで、正確な輝度温度推定を可能に。
• データ処理パイプラインには、校正なしの地上スペクトル、ハイパスフィルタリング、およびKaroo SKA施設の基準データとの比較を含め、RFI汚染の評価を実施。
• データ収集は、年1回の3週間のアクセス期間中に、遠隔で強風にさらされ、寒冷な南極圏に近い島に設置された装置で実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マリオン島のような遠隔で孤立した場所で、最小限のRFIを伴って、宇宙暁の全球的21 cm信号を検出可能か？
• RQ2 カロウ・SKA施設のような他の低周波数電波観測サイトと比較して、マリオン島の電波環境はどの程度清浄か？
• RQ3 電離圏の影響および機器の系統的誤差が、70–100 MHz における微弱な21 cm吸収特徴の測定にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 校正済み抵抗を備えた双偏波・二重周波数ラジオメータを用いることで、極限環境下でも正確かつ安定した天の電波輝度温度測定が可能か？
• RQ5 気象や長距離伝搬が、大陸からの電波源から2000 km離れた場所で、電波環境に顕著な汚染を引き起こすか？

主な発見

• PRI Z M 実験は、2017年の設置で、マリオン島に二重偏波ラジオメータ（70 MHz および 100 MHz）を設置し、安定的かつ連続的なデータ収集を達成した。
• FM帯域（88–105 MHz）では、検出可能なRFI汚染は観測されず、137–138 MHz に1つの狭帯域信号（Orbcomm衛星由来）のみが特定された。
• マリオン島の電波環境は、Karoo SKA施設と比較して顕著に清浄であり、30–200 MHz 範囲に顕著なRFI特徴はなく、特に宇宙暁帯域において顕著に優れた状態である。
• 100 MHz アンテナのデータは、スペクトル線やスパイクがなく、滑らかで明確な銀河スペクトルを示しており、機器的または環境的RFIの影響が最小限であることを示している。
• 50 Ω および 100 Ω の校正抵抗のノイズパワー スペクトルは理論的期待値と整合しており、LNAおよびシステムノイズモデルの正確性が裏付けられた。
• マリオン島の電離圏プラズマ周波数は、冬の夜間に最低で1.5 MHz まで低下することが推定され、低周波数観測に非常に有利な条件であることが示された。