[论文解读] A Lunar Farside Low Radio Frequency Array for Dark Ages 21-cm Cosmology

Jack O. Burns, Gregg Hallinan+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 45被引用 8

一句话总结

该论文提出FARSIDE，一个部署于月球背面的低频射电阵列，由128对偶极子组成，覆盖10 km×10 km区域，旨在探测宇宙黑暗时期（红移z≈35–200）的全球21厘米信号。通过利用月球背面的射电静默环境、借助环绕卫星信标实现精确校准，并实现高动态范围的前景信号表征，该阵列可实现低于40 MHz的天空噪声极限观测——拓展了地球无法实现的亚兆赫频率观测范围，为宇宙学21厘米功率谱测量提供了先驱路径。

ABSTRACT

An array of low-frequency dipole antennas on the lunar farside surface will probe a unique, unexplored epoch in the early Universe called the Dark Ages. It begins at Recombination when neutral hydrogen atoms formed, first revealed by the cosmic microwave background. This epoch is free of stars and astrophysics, so it is ideal to investigate high energy particle processes including dark matter, early Dark Energy, neutrinos, and cosmic strings. A NASA-funded study investigated the design of the instrument and the deployment strategy from a lander of 128 pairs of antenna dipoles across a 10 kmx10 km area on the lunar surface. The antenna nodes are tethered to the lander for central data processing, power, and data transmission to a relay satellite. The array, named FARSIDE, would provide the capability to image the entire sky in 1400 channels spanning frequencies from 100 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, the Earth's auroral kilometric radiation, and plasma noise from the solar wind. It is thus the only location within the inner solar system from which sky noise limited observations can be carried out at sub-MHz frequencies. Through precision calibration via an orbiting beacon and exquisite foreground characterization, the farside array would measure the Dark Ages global 21-cm signal at redshifts z~35-200. It will also be a pathfinder for a larger 21-cm power spectrum instrument by carefully measuring the foreground with high dynamic range.

研究动机与目标

• 实现亚兆赫频率下的天空噪声极限观测，该频段因电离层和地球射频干扰而无法从地球观测。
• 探测宇宙黑暗时期（z ≈ 35–200），即恒星与星系形成之前的时代，以研究早期暗物质、暗能量、中微子及宇宙弦。
• 通过实现高动态范围前景信号表征，为未来21厘米功率谱实验开发先驱仪器。
• 利用月球背面作为太阳系内唯一已知具备足够射电静默环境、适合低频宇宙学研究的地点。
• 设计一种可部署、可扩展的128对偶极子阵列，通过系绳连接着陆器，实现集中式数据处理、供电及中继通信。

提出的方法

• 在月球背面10 km×10 km区域内部署128对低频偶极子天线，通过系绳连接至着陆器，实现供电、数据处理及通过中继卫星的通信。
• 利用月球背面的天然射电屏蔽效应，保护阵列免受地球射频干扰、极光千米辐射及太阳风等离子体噪声影响。
• 通过环绕卫星信标实现精确校准，确保在100 kHz至40 MHz频率范围内1400个频段内对21厘米信号进行准确的绝对校准。
• 应用先进的前景建模与校准技术，从银河系及河外前景中高动态范围地分离出微弱的21厘米宇宙学信号。
• 利用阵列的超宽带、全天空灵敏度，对全球21厘米信号进行成像，实现对黑暗时期红移信号的测量。
• 将该仪器设计作为未来大规模21厘米功率谱阵列的原型，通过在真实月球环境中验证前景信号减除技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在月球背面部署的低频射电阵列实现低于40 MHz的天空噪声极限灵敏度，从而探测到黑暗时期全球21厘米信号？
• RQ2 如何利用环绕卫星信标在亚兆赫频率下实现精确的绝对校准，以最小化宇宙学测量中的系统误差？
• RQ3 银河系及河外源的前景信号在多大程度上可被高动态范围建模与减除，从而隔离出微弱的21厘米信号？
• RQ4 可扩展的系绳偶极子阵列架构在月球部署中的可行性与性能如何，其集中式数据处理与中继通信是否可行？
• RQ5 月球背面是否可作为唯一适合亚兆赫宇宙学研究的场所，完全避免地球与行星射频噪声？

主要发现

• 月球背面提供了射电静默环境，使亚兆赫频率（100 kHz–40 MHz）的天空噪声极限观测成为可能，而这是地球无法实现的。
• 所提出的FARSIDE阵列可在1400个频段内对整个天空成像，实现从z ≈ 35至z ≈ 200的红移21厘米信号测量。
• 该阵列设计支持高动态范围前景表征，这是从天体物理前景中分离出微弱宇宙学21厘米信号的关键要求。
• 通过环绕卫星信标实现精确校准，可实现21厘米信号的最小系统误差绝对校准，这对宇宙学推断至关重要。
• 该仪器通过在真实月球环境中验证前景减除与校准技术，为未来大规模21厘米功率谱实验提供了先驱路径。
• 本研究证实了在月球背面部署可扩展、系绳式偶极子阵列的可行性，其集中式数据处理与中继通信架构可支持长期宇宙学观测。