[论文解读] FARSIDE: A Low Radio Frequency Interferometric Array on the Lunar Farside

Jack O. Burns, Gregg Hallinan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2019

Planetary Science and Exploration被引用 11

一句话总结

FARSIDE 提议在月球背面部署一个由128个低频无线电干涉仪天线组成的阵列，以实现从100 kHz到40 MHz的连续、无干扰的宇宙射电信号观测。通过利用月球背面作为射电静默平台，该任务旨在探测来自宇宙黑暗时期（红移 z=50–100）的全球21厘米信号，表征系外行星磁层，并通过环绕轨道信标实现高灵敏度与精确校准，研究太阳系现象。

ABSTRACT

FARSIDE (Farside Array for Radio Science Investigations of the Dark ages and Exoplanets) is a Probe-class concept to place a low radio frequency interferometric array on the farside of the Moon. A NASA-funded design study, focused on the instrument, a deployment rover, the lander and base station, delivered an architecture broadly consistent with the requirements for a Probe mission. This notional architecture consists of 128 dual polarization 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. FARSIDE would provide the capability to image the entire sky each minute 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, 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, including the hypothetical Planet Nine. Through precision calibration via an orbiting beacon, and exquisite foreground characterization, FARSIDE would also measure the Dark Ages global 21-cm signal at redshifts z=50-100. The unique observational window offered by FARSIDE would enable an abundance of additional science ranging from sounding of the lunar subsurface to characterization of the interstellar medium in the solar system neighborhood.

研究动机与目标

• 开发一种用于月球背面低频射电干涉仪的探测器级任务概念，以进入尚未探索的射电窗口。
• 通过将阵列部署在月球背面，避开地球射电辐射的干扰，克服地球射频干扰和电浆噪声。
• 以高灵敏度和精确校准探测来自宇宙黑暗时期（红移 z=50–100）的全球21厘米信号。
• 实现对恒星系统中日冕物质抛射和高能粒子事件射电特征的同步监测。
• 表征附近宜居系外行星的磁层，并研究从太阳到外行星的太阳系天体。

提出的方法

• 使用专用部署巡视器在月球背面10公里范围内部署128个双极化偶极子天线。
• 通过缆线将天线连接至中央基地站，以实现供电、数据处理以及与月球门户空间站的通信。
• 利用环绕轨道信标对阵列在频率和时间上的响应进行精确绝对校准。
• 实施先进的前景信号减除技术，以从明亮的天体前景中分离出微弱的全球21厘米信号。
• 利用月球自然地形和背面屏蔽效应，最大限度减少地球射频干扰和太阳风等离子体噪声。
• 实时处理数据，每分钟对100 kHz至40 MHz频段内的1400个频点进行全天空成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 月球背面的低频射电干涉仪是否能够实现足够的动态范围和校准稳定性，以探测黑暗时期的全球21厘米信号？
• RQ2 月球背面在多大程度上能为低频宇宙现象观测提供射电静默环境？
• RQ3 在邻近恒星系统中，可探测到的日冕物质抛射和高能粒子事件的哪些射电特征？
• RQ4 如何通过低频射电辐射探测候选宜居系外行星的磁层？
• RQ5 该阵列能否通过低频射电辐射，同时表征从太阳到外行星（包括行星九）的太阳系活动？

主要发现

• 所提议的阵列可每分钟对100 kHz至40 MHz频段内1400个通道的全天空进行成像，其观测频率范围比地面观测极限低两个数量级。
• 月球背面能有效隔离地球射频干扰、极光千米辐射以及太阳风等离子体噪声，实现近乎连续的监测。
• 通过轨道信标实现精确校准后，该阵列可达到探测红移 z=50–100 处全球21厘米信号所需的灵敏度。
• 该阵列架构支持对系外行星磁层、太阳活动以及太阳系邻近区域星际介质特性的同步观测。
• 设计研究证实，采用128个单元阵列、通过巡视器在10公里范围内部署、并连接至基地站的探测器级任务具有可行性。
• 该系统可通过低频射电波传播实现对月球地下结构的探测以及对星际介质的表征。