[논문 리뷰] Progress in the Construction and Testing of the Tianlai Radio Interferometers

Santanu Das, Christopher Anderson외 45명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

Tianlai Pathfinder는 재이온화 이후 우주의 대규모 구조를 맵핑하기 위해 두 가지 다른 형태의 전파 간섭계 어레이—실린더형과 접시형 안테나—를 사용한 21cm 강도맵핑의 실현 가능성을 입증한다. 주요 진전으로는 시뮬레이션과 드론 기반 측정을 통한 빔 패턴 특성화, 이득 및 위상 안정성 테스트, 보정 및 설문 운영을 위한 모듈러하고 확장 가능한 데이터 처리 파이프라인의 구현이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광역도 간섭계가 대규모 우주 구조의 21cm 강도맵핑에 적합한지 검증하기 위해.
• 다른 적색편이에서 중성 수소를 맵핑하는 데 있어 실린더형과 접시형 안테나 어레이의 성능을 비교하기 위해.
• 선형성 오염을 완화하기 위해 빔 패턴과 기기 안정성의 고정밀 보정을 달성하기 위해.
• 간섭계 데이터의 효율적이고 자동화된 분석을 위한 모듈러하고 오픈소스 데이터 처리 파이프라인을 개발하기 위해.
• 21cm 관측에서 정확한 보정과 체계적 오차 제어를 가능하게 하여 향후 천체물리 설문을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 중국 서부의 전파 정적 지역에 위치한 세 대의 15m × 40m 실린더형 전파망원경과 열두 대의 6m 접시형 안테나로 구성된 이중 어레이 시스템을 구축하였다.
• 두 어레이 형상의 전자기 시뮬레이션을 수행하고, 이를 측정된 빔 패턴과 비교하여 보정 모델의 타당성을 검증하였다.
• 700–800 MHz 및 1170–1270 MHz 대역에서 이득 및 위상 안정성을 측정하여 기기 신뢰성을 평가하였다.
• tlpipe 소프트웨어 패키지를 사용한 작업 기반 데이터 처리 파이프라인을 구현하여, 개인용 컴퓨터, 클러스터, 또는 슈퍼컴퓨터에서 다양한 컴퓨팅 플랫폼에서 자동화되고 확장 가능한 데이터 흐름을 지원하였다.
• DJI Matrice-600 Pro 드론을 활용한 드론 기반 빔 맵핑 계획을 수립하였으며, 이 드론은 최대 2500m 고도까지 1cm 내외의 정밀 위치 제어로 전파 신호원을 운반할 수 있다.
• 지향 가능한 접시형 안테나 어레이를 사용해 천구 북극을 햖갈리게 하여 설문 영역을 최소화하고, 높은 신호 대 잡음비의 21cm 맵핑을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역도 실린더형 및 접시형 어레이가 모두 21cm 강도맵핑 천체물리 설문에 필요한 빔 패턴 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기계적 및 환경적 변동(예: 온도 변화)이 빔 패턴에 영향을 미치고 체계적 오차를 유발하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 낮은 비용으로도 고정밀도 빔 보정을 제공할 수 있는 드론 기반 측정의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ4 tlpipe 데이터 처리 파이프라인이 간섭계 데이터의 완전 자동화, 확장성, 재현 가능성을 보장할 수 있는가?
• RQ5 21cm 강도맵핑 결과가 옵티컬은하 설문과 얼마나 잘 상관관계를 가지는가? 이를 통해 강도맵핑 기법의 타당성을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• Tianlai 어레이의 전자기 시뮬레이션 결과는 측정된 빔 패턴과 양호한 일치를 보이며, 보정 모델의 타당성을 검증하였다.
• 장치는 700–800 MHz 및 1170–1270 MHz 대역에서 충분한 이득 및 위상 안정성을 확보하여 천체물리 설문을 지원할 수 있다.
• tlpipe 데이터 처리 파이프라인은 초기 설정 이후 인간 간섭 없이 전체 데이터 처리를 수행할 수 있으며, 다양한 컴퓨팅 플랫폼에서 실행이 가능하다.
• 드론 기반 빔 맵핑은 2018년 여름 계획으로, DJI Matrice-600 Pro는 고정밀도 빔 측정을 위한 약 1cm 정밀도의 위치 제어를 제공할 것으로 기대된다.
• 접시형 어레이가 북천구극을 향해 지향 가능하여 효율적인 통합과 작은 천구 영역에서 고신호대잡음비 21cm 맵핑이 가능하다.
• z ~ 0.15에서 수행되는 21cm 설문은 북천구극 광학적 설문의 볼륨과 동일한 천체 영역을 망라하므로, 은하 적색편이 맵핑과 직접 비교 가능하여 강도맵핑 기법의 천체물리적 도구로서의 타당성을 검증할 수 있다.