[논문 리뷰] Discovering the Sky at the Longest Wavelengths with Small Satellite Constellations

Xuelei Chen, Jack O. Burns외 30명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 25.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 63인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 지구에서 이온권 흡수와 지상 간섭으로 이전에는 접근할 수 없었던 디케미터 길이의 전파 파장에서 천체를 관측하기 위해 소형 위성 편대를 사용하는 것을 제안한다. 달 궤도를 도는 선형 어레이(SSL 미션)를 도입함으로써, 전체 하늘에 대한 설문 조사와 전 세계 스펙트럼 측정이 가능해져, 초기 우주의 시대인 '우주의 어둠의 시대'와 '어둠의 빛의 시대', 그리고 갈라크시 외부 천체에 대한 발견이 가능해진다.

ABSTRACT

Due to ionosphere absorption and the interference by natural and artificial radio emissions, ground observation of the sky at the decameter or longer is very difficult. This unexplored part of electromagnetic spectrum has the potential of great discoveries, notably in the study of cosmic dark ages and dawn, but also in heliophysics and space weather, planets, cosmic ray and neutrinos, pulsar and interstellar medium, extragalactic radio sources, and even SETI. At a forum organized by the International Space Science Institute-Beijing (ISSI-BJ), we discussed the prospect of opening up this window for astronomical observations by using a constellation of small or micro-satellites. We discussed the past experiments and the current ones such as the low frequency payload on Chang'e-4 mission lander, relay satellite and the Longjiang satellite, and also the future DSL mission, which is a linear array on lunar orbit which can make synthesized map of the whole sky as well as measure the global spectrum. We also discuss the synergy with other experiments, including ground global experiments such as EDGES, SARAS, SCI-HI and High-z, PRIZM/Albatros, ground imaging facillities such as LOFAR and MWA, and space experiments such as SUNRISE, DARE/DAPPER and PRATUSH. We also discussed some technical aspects of the DSL concept.

연구 동기 및 목표

• 이온권 흡수와 인간 활동에 의한 전파 간섭으로 인해 지상 관측이 어려운 디케미터 파장에서의 제한을 극복하기 위해.
• 우주의 초기 진화에서 핵심적인 시기인 '어둠의 시대'와 '어둠의 빛의 시대'를 탐색하기 위해.
• 장파장 전파 창문을 탐색하기 위해 소형 위성을 활용한 천체 물리학 기반 솔루션을 개발하기 위해.
• 감도와 다이내믹 레인지 향상을 위해 기존의 지상 및 저궤도 천체 관측 실험과의 융합을 촉진하기 위해.
• 지구의 달 궤도 공간에서 향후 저주파 전파 천문학 임무를 위한 기술 및 임무 설계를 발전시키기 위해.

제안 방법

• 전체 하늘에 대한 합성 어레이 맵핑을 달성하기 위해 소형 위성 편대, 특히 달 궤도의 선형 어레이(SSL 미션)를 제안한다.
• 지상 간섭을 최소화하고 민감한 측정을 가능하게 하기 위해 달의 반대편을 전파 정적 환경으로 활용한다.
• 10m 이상의 파장에서 고다이내믹 레인지의 하늘 맵을 제작하기 위해 기준선 어레이를 활용한 간섭계 기법을 구현한다.
• 우주의 어둠의 시대와 어둠의 빛의 시대의 적색편이 21cm 선을 탐색하기 위해 전 세계 스펙트럼 측정을 통합한다.
• 기존의 임무들인 창어-4 및 롱장-2를 기술적 및 운영적 사전 조사로 활용한다.
• 확장성, 비용 효율성, 향후 태양계 외부 과학 플랫폼과의 호환성을 고려한 임무 아키텍처를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온권과 지상 간섭으로 인해 디케미터 파장에서 전체 하늘을 효과적으로 맵핑할 수 있는 소형 위성 편대가 가능한가?
• RQ2 달 궤도의 선형 어레이가 장파장 전파 하늘에 대해 높은 감도로 전체 하늘 설문 조사를 수행할 수 있는가?
• RQ3 지상 기반 어레이(예: LOFAR, MWA) 및 실험(예: EDGES)과 우주 임무(예: DARE, SUNRISE) 간의 융합은 다이내믹 레인지와 캘리브레이션을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 지구의 달 궤도 공간에 장파장 간섭계를 배치하는 데 있어 기술적 및 운영적 과제는 무엇인가?
• RQ5 이러한 임무가 충분한 스펙트럼 해상도와 감도로 어둠의 빛의 시대의 전역 21cm 신호를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• SSL 미션 개념은 지구에서 접근할 수 없는 파장 >10m에서 전체 하늘 맵핑과 전 세계 스펙트럼 측정을 가능하게 한다.
• 달의 반대편은 적색편이 21cm 선과 같은 약한 천체 신호를 탐지하는 데 필수적인 전파 정적 환경을 제공한다.
• 창어-4 및 롱장-2와 같은 기존 임무들은 지구의 달 궤도 공간에서 저주파 전파 실험을 수행할 수 있음을 입증한다.
• 지상 기반 어레이(예: LOFAR, MWA) 및 실험(예: EDGES, SARAS)과의 융합은 캘리브레이션과 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
• 제안된 편대 아키텍처는 장파장 전파 관측소의 확장성 있고 비용 효율적인 배치를 지원한다.
• 이 임무 개념은 기술적으로 실현 가능하며, 우주론, 헬리오포스피직스, 행성 과학 분야의 향후 과학 목표와 부합한다.