[论文解读] CMB-HD: Astro2020 RFI Response

Neelima Sehgal, Simone Aiola+46 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2020

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 67被引用 14

一句话总结

CMB-HD 计划在智利阿塔卡马沙漠的塞罗托科天文台部署两台30米非轴对称交叉-德拉贡望远镜，开展为期7.5年的超深度、高分辨率毫米波巡天，覆盖20,000平方度天空，配备160万个偏振敏感的超导隧道结（TES）热释电探测器。该巡天将在150 GHz频段实现0.5 μK-弧分的噪声水平和15角秒的角分辨率，从而在宇宙学、基础物理和天体物理学领域实现突破，通过引力透镜效应、萨尼娅夫-泽尔多维奇效应、暗物质探测以及瞬变源监测实现科学目标。

ABSTRACT

CMB-HD is a proposed ultra-deep (0.5 uk-arcmin), high-resolution (15 arcseconds) millimeter-wave survey over half the sky that would answer many outstanding questions in both fundamental physics of the Universe and astrophysics. This survey would be delivered in 7.5 years of observing 20,000 square degrees, using two new 30-meter-class off-axis cross-Dragone telescopes to be located at Cerro Toco in the Atacama Desert. Each telescope would field 800,000 detectors (200,000 pixels), for a total of 1.6 million detectors.

研究动机与目标

• 通过宇宙微波背景辐射的高分辨率引力透镜效应，推进对暗物质和星系形成机制的理解。
• 绘制热和动力学萨尼娅夫-泽尔多维奇效应，以研究宇宙时空中气体物理和星系晕的演化。
• 通过探测或排除轻量热粒子（<0.1 eV）、原初磁场和多场暴胀模型，检验基础物理理论。
• 通过频繁重访观测，实现瞬变天区监测，捕捉伽马射电暴、快速射电暴和变源活动星系核。
• 开展海王星外天体的普查，并探测系外奥尔特云，以研究行星形成与太阳系演化。

提出的方法

• 在阿塔卡马沙漠的塞罗托科天文台部署两台30米非轴对称交叉-德拉贡望远镜，专为毫米波观测优化。
• 每台望远镜配备80万个TES探测器（20万个像元），工作频段为30–350 GHz，具有在30/40、90/150和220/280 GHz频段的双色、偏振敏感响应。
• 实施激光测距系统，以校正30米主镜因热变形引起的误差。
• 采用先进的焦面封装技术与低损耗硅基光学元件，以最大化探测器效率并减少光学串扰。
• 集成冷却至100 mK的低温恒温器系统以维持探测器性能，其技术已通过西蒙斯天文台大口径望远镜项目成功验证。
• 利用SO和CMB-S4项目已有的探测器与读出技术，未来可考虑转向MKID探测器，以降低项目成本与复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚角分尺度上，宇宙微波背景辐射的引力透镜效应是否能揭示暗物质的小尺度分布，并约束其粒子性质？
• RQ2 热和动力学萨尼娅夫-泽尔多维奇效应在多大程度上能够映射星系团和星系晕中气体密度与压力分布随宇宙时序的演化？
• RQ3 CMB-HD 是否能够探测或排除质量小于0.1 eV的新型轻量热粒子的存在，这些粒子可能构成暗物质？
• RQ4 CMB-HD 能够对多场暴胀模型及星系磁场的原初起源施加何种约束？
• RQ5 CMB-HD 是否能够通过其毫米波辐射探测并表征系外奥尔特云和海王星外天体？

主要发现

• CMB-HD 在150 GHz频段将实现0.5 μK-弧分的灵敏度和15角秒的角分辨率，从而在k ~ 10 h Mpc⁻¹波数尺度上实现对宇宙微波背景透镜效应前所未有的精确测绘。
• 该巡天将部署总计160万个探测器，每台望远镜配备80万个，采用成熟可靠的TES热释电探测器技术，其技术遗产可追溯至SO和CMB-S4项目。
• 项目总预算估算为10.22亿美元（仅限美国资金），其中望远镜建设占4亿美元，接收机系统占1亿美元，探测器与读出系统占3.2亿美元，项目管理费用占1亿美元，周期为10年。
• 若MKID技术在毫米波段实现与TES相当的灵敏度，探测器成本可降低3至4倍，目前已有TolTEC和CCAT-prime项目在进行在轨演示。
• 巡天将每隔数天对20,000平方度的全部天区进行重访观测，从而实现对快速射电暴、变源活动星系核等瞬变现象的探测。
• CMB-HD 将在半人马座方向产生一份高红移尘埃星系和活动星系核的星表，其在150 GHz频段的深度可达0.5 mJy，且优先向公众发布数据。