[논문 리뷰] NASA Probe Study Report: Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets (FARSIDE)

Jack O. Burns, Gregg Hallinan외 17명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 20.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 37인용 수 11

한 줄 요약

FARSIDE는 달의 밤쪽면에 128개의 저주파 전파 간섭계 어레이를 설치하여 암흑기(적성 50–100)의 천체 21cm 신호를 탐지하고, 외계 행성 및 태양계 천체의 전파 폭발을 탐색한다. 로봇 차량을 이용해 기지국에 연결된 안테나 어레이를 배치함으로써 달의 밤쪽면의 전파 정적 환경을 활용하여 전역 21cm 신호의 고다이나믹 레인지 측정과 코로날 질량 방출 및 행성 자기권의 탐지가 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 어두운 시대의 전역 21cm 신호를 통해 천체의 어둠기 시기를 연구하기 위한 저주파 전파 어레이를 달의 밤쪽면에 설계하는 프로브급 미션 개념을 제안한다.
• 근처의 별계에서 발생하는 코로날 질량 방출 및 고에너지 입자 사건의 전파 방출을 탐지한다.
• 태양과 외행성의 태양계 내 전파 활동을 특성화한다.
• 미래의 21cm 파wer 스펙트럼 기기들을 위한 고다이나믹 레인지의 전경 신호 보정을 가능하게 한다.
• 분산된 안테나 어레이를 이용해 저주파 전파 천체에 대한 연속적이고 전천구적인 모니터링을 실현한다.

제안 방법

• 모바일 배포 로봇을 이용해 달의 밤쪽면에 10km 반경 내에 128개의 도피온 안테나를 설치한다.
• 기지국에 연결된 전원, 데이터 처리 및 달 궤도선 또는 중계 위성으로의 전달을 위해 안테나를 연결한다.
• 어레이의 응답을 정밀하게 절대 보정하기 위해 궤도상 비콘을 사용한다.
• 달의 밤쪽면이 자연적으로 전파 간섭을 차단함으로써 지구 기반 간섭, 오로라 킬로미터 방사선, 태양풍 플라즈마 노이즈를 피할 수 있다.
• 미세한 전역 21cm 신호를 천체 전경 신호로부터 분리하기 위해 고도화된 전경 모델링 및 보정 기법을 구현한다.
• 150kHz에서 40MHz까지 1400개의 주파수 채널을 통해 매분 전천구 영상 촬영이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 달의 밤쪽면에 설치된 저주파 전파 어레이가 어둠기의 전역 21cm 신호를 탐지하기 위해 필요한 다이나믹 레인지와 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 대규모로 이동 가능한 안테나 어레이를 달의 표면에 설치하고 보정하는 것이 가능한가?
• RQ3 어떻게 어린 별계의 활성 자기권을 가진 외계 행성과 그 주위의 별에서 발생하는 전파 폭발을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 달의 밤쪽면이 어레이에 대한 지구 및 태양 전파 간섭으로부터 얼마나 효과적으로 보호할 수 있는가?
• RQ5 FARSIDE 어레이가 향후 21cm 파워 스펙트럼 실험을 위한 사전 시험장으로서 얼마나 유용한가?

주요 결과

• FARSIDE 아키텍처는 150kHz에서 40MHz까지 1400개 채널을 통해 매분 전천구 영상 촬영이 가능하며, 지상 기반 전파 천문학이 접근할 수 없는 대역까지 확장된다.
• 달의 밤쪽면은 지구 기반 간섭, 오로라 킬로미터 방사선, 태양풍 플라즈마 노이즈로부터 자연스럽게 고립되어 거의 연속적인 모니터링이 가능하다.
• 어린 별계에서 발생하는 코로날 질량 방출 및 고에너지 입자 사건의 전파 신호를 탐지할 수 있다.
• 가장 가까운 생명 가능성이 있는 외계 행성의 자기권 전파 방출도 탐지할 수 있다.
• 궤도 비콘의 사용으로 정밀한 절대 보정이 가능하여 고다이나믹 레인지의 전경 신호 제거에 필수적이다.
• FARSIDE는 전경 신호를 고정밀도와 높은 다이나믹 레인지로 측정함으로써 향후 21cm 파워 스펙트럼 기기의 사전 시험 장치로 기능한다.