[论文解读] BINGO: a single dish approach to 21cm intensity mapping

Richard A. Battye, Michael D. Brown+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Advanced Vision and Imaging参考文献 7被引用 35

一句话总结

BINGO 提出了一台单口径 40 米望远镜，配备悬挂在反射面以上 90 米处的 50 元件喇叭馈电阵列，通过漂移扫描观测，在 960–1260 MHz 频段内对 2000 平方度的天空区域进行 21 厘米强度映射。该望远镜使用伪相关接收机，在 960–1260 MHz 频段工作，一年内可实现 2.4% 的声学尺度测量精度，从而对暗能量和宇宙学参数施加精确约束。

ABSTRACT

BINGO is a concept for performing a 21cm intensity mapping survey using a single dish telescope. We briefly discuss the idea of intensity mapping and go on to define our single dish concept. This involves a \sim 40 m dish with an array of \sim 50 feed horns placed \sim 90 m above the dish using a pseudo-correlation detection system based on room temperature LNAs and one of the celestial poles as references. We discuss how such an array operating between 960 and 1260 MHz could be used to measure the acoustic scale to 2.4% over the redshift range 0.13

研究动机与目标

• 开发一种成本效益高的单口径望远镜方案，作为大型孔径阵列在 21 厘米强度映射中的替代方案。
• 通过漂移扫描观测，以亚 3% 的精度测量重子声学振荡（BAO）尺度。
• 利用伪相关检测系统和室温低噪声放大器（LNAs），有效抑制低频射电接收机中的 1/f 噪声。
• 利用 21 厘米功率谱实现对暗能量和修正引力理论的高精度宇宙学约束。
• 证明静态单口径望远镜无需填充孔径即可实现与强度映射相匹配的灵敏度和分辨率。

提出的方法

• 采用 40 米抛物面反射面，有效照射孔径为 25 米，在 30 厘米波长下实现约 40 弧分（2/3 度）的波束分辨率。
• 50 元件喇叭馈电阵列悬挂在反射面以上 90 米处的桁架上，提供 10 度 × 2 度的大瞬时视场。
• 伪相关接收系统利用混合耦合器在信号放大前进行差分与求和，以抵消 LNAs 的 1/f 增益波动。
• 每个伪相关对的参考波束指向天极，提供与天空信号谱型相同的稳定、低分辨率光谱参考。
• 望远镜在 960 至 1260 MHz 频段运行，避开 900–960 MHz 移动通信频段，使用室温 LNAs，系统温度为 50 K。
• 在恒定赤纬下进行 10 度 × 200 度的漂移扫描观测，通过约一年的源积分时间覆盖约 2000 平方度，空间分辨率约为 2/3 度。

实验结果

研究问题

• RQ1 单口径望远镜是否能通过 21 厘米强度映射实现亚 3% 的重子声学尺度测量精度？
• RQ2 伪相关接收系统是否能有效抑制低频射电接收机中的 1/f 噪声，而无需使用低温放大器？
• RQ3 在单口径望远镜上采用悬挂桁架结构的大型喇叭馈电阵列，是否能够实现宽瞬时视场？
• RQ4 静态反射面的漂移扫描观测是否能获得足够的观测体积和信噪比，以实现对暗能量的宇宙学约束？
• RQ5 在红移范围 0.13 < z < 0.48 内，为最大化 21 厘米功率谱的信噪比，最优的观测策略和频段范围是什么？

主要发现

• BINGO 巡天在红移范围 0.13 < z < 0.48 内实现了声学尺度测量的 2.4% 相对误差，对应 δkA/kA ≈ 0.024。
• 经过一年的源积分，功率谱的投影误差足够低，能够清晰分辨重子声学振荡特征。
• 系统实现了体积平均距离测量 dV(z)，若暗能量状态方程 w 为常数，则其精度可将 δw/w 约束在 0.16 以内。
• 伪相关接收系统有效抵消了 1/f 噪声，使室温 LNAs 和 50 K 的系统温度下仍能实现稳定测量。
• 50 元件喇叭馈电阵列提供了 10 度 × 2 度的瞬时视场，通过一次漂移扫描即可实现 2000 平方度的巡天。
• 望远镜设计通过保持 θmin > 10 度，确保了功率谱的各向同性，满足 Δk > π/(θmin r(z)) 的条件，从而保持了声学尺度的分辨率。