[論文レビュー] Progress in the Construction and Testing of the Tianlai Radio Interferometers

Santanu Das, Christopher Anderson+45 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

Tianlai Pathfinder は、再電離後の宇宙における大規模構造をマッピングすることを目的とした、21 cm強度マッピングの実現可能性を、円筒形およびディッシュアンテナの2種類の電波干渉計アレイを用いて示した。主な進展には、シミュレーションおよびドローンを用いたビームパターンの特定、ゲインおよび位相安定性のテスト、およびキャリブレーションと調査運用に適したモジュラーでスケーラブルなデータ処理パイプラインの実装が含まれる。

ABSTRACT

The Tianlai Pathfinder is designed to demonstrate the feasibility of using a wide field of view radio interferometers to map the density of neutral hydrogen in the Universe after the Epoch of Reionizaton. This approach, called 21~cm intensity-mapping, promises an inexpensive means for surveying the large-scale structure of the cosmos. The Tianlai Pathfinder presently consists of an array of three, 15~m $ imes$ 40~m cylinder telescopes and an array of sixteen, 6~m diameter dish antennas located in a radio-quiet part of western China. The two types of arrays were chosen to determine the advantages and disadvantages of each approach. The primary goal of the Pathfinder is to make 3D maps by surveying neutral hydrogen over large areas of the sky %$20,000 { m deg}^2$ in two different redshift ranges: first at $1.03 > z > 0.78$ ($700 - 800$~MHz) and later at $0.21 > z > 0.12$ ($1170 - 1270$~MHz). The most significant challenge to $21$~cm intensity-mapping is the removal of strong foreground radiation that dwarfs the cosmological signal. It requires exquisite knowledge of the instrumental response, i.e. calibration. In this paper, we provide an overview of the status of the Pathfinder and discuss the details of some of the analysis that we have carried out to measure the beam function of both arrays. We compare electromagnetic simulations of the arrays to measurements, discuss measurements of the gain and phase stability of the instrument, and provide a brief overview of the data processing pipeline.

研究の動機と目的

• 広視野電波干渉計が大規模構造の21 cm強度マッピングに適しているかどうかを検証すること。
• 異なる赤方偏移における中性水素マッピングにおいて、円筒形およびディッシュアンテナアレイの性能を比較すること。
• フォアグラウンド汚染を低減するために、ビームパターンおよび機器安定性の高精度キャリブレーションを達成すること。
• 干渉計データの効率的かつ自動化された分析を可能にするモジュラーでオープンソースのデータ処理パイプラインを開発すること。
• 21 cm観測における正確なキャリブレーションおよび系誤差制御を可能にすることで、将来的な宇宙論的調査を可能にすること。

提案手法

• 中国西部の電波静穏地域に、3基の15 m × 40 m 円筒形電波望遠鏡と16基の6 m ディッシュアンテナを設置した二重アレイシステムを展開した。
• 両アレイの幾何構造について電磁界シミュレーションを実施し、測定されたビームパターンと比較することで、キャリブレーションモデルの妥当性を検証した。
• 700–800 MHzおよび1170–1270 MHzの観測帯域において、ゲインおよび位相安定性を測定し、機器の信頼性を評価した。
• tlpipe ソフトウェアパッケージを用いたタスクベースのデータ処理パイプラインを実装し、個人用コンピュータ、クラスタ、またはスーパーコンピュータを含む多様な計算環境で、自動的かつスケーラブルなデータ処理を可能にした。
• ドローンを用いたビームマッピング計画を実施。DJI Matrice-600 Pro は最大2500 mの高度まで上昇可能で、位置精度が約1 cmに達する。
• 指向可能ディッシュアレイを用いて北天極を向いて積分することで、調査領域を最小限に抑え、高SNRの21 cmマップを実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広視野の円筒形およびディッシュアレイが、21 cm強度マッピング宇宙論に必要なビームパターン精度を両方とも達成できるか？
• RQ2 機械的および環境的要因（例：温度変化）がビームパターンに与える影響と、それによる系誤差の発生度合いは？
• RQ3 ドローンベースの測定は、中程度のコストで高精度のビームキャリブレーションを達成できるか？
• RQ4 tlpipe データ処理パイプラインは、完全に自動化され、スケーラブルかつ再現可能な干渉計データ分析を可能にするか？
• RQ5 21 cm強度マップが光学的銀河調査とどの程度相関するか？強度マッピング手法の妥当性を検証するための根拠となるか？

主な発見

• Tianlaiアレイの電磁界シミュレーションは、測定されたビームパターンと良好に一致しており、キャリブレーションモデルの妥当性が裏付けられた。
• 700–800 MHzおよび1170–1270 MHz帯域において、機器が宇宙論的調査を支えるのに十分なゲインおよび位相安定性を示した。
• tlpipe データ処理パイプラインは、初期設定後は人為的介入なしに完全なデータ処理を実行でき、多様な計算プラットフォームで実行可能である。
• 2018年夏にドローンベースのビームマッピングを計画しており、DJI Matrice-600 Pro は約1 cmの位置精度を達成し、高精度なビーム測定が可能になると期待されている。
• ディッシュアレイが北天極を指向できるため、効率的な積分が可能となり、小さな天の領域で高SNRの21 cmマッピングが実現した。
• 赤方偏移 z ~ 0.15 の21 cm調査は、北方天球キャップの光度赤方偏移調査と同等の体積をカバーするため、銀河赤方偏移マップと直接比較可能となり、強度マッピング手法の宇宙論的ツールとしての妥当性を検証できる。