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

Jack O. Burns, Gregg Hallinan+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 37被引用 11

一句话总结

FARSIDE 提出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，以探测来自暗时代（红移50–100）的宇宙21厘米信号，并搜寻系外行星及太阳系天体的射电爆发。通过使用探测车部署并连接至基站的天线阵列，该任务利用月球背面的射电宁静环境，实现对全球21厘米信号的高动态范围测量，并探测日冕物质抛射及行星磁层。

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.

研究动机与目标

• 设计一个探针级任务概念，即在月球背面部署低频射电阵列，通过全球21厘米信号研究宇宙暗时代。
• 探测附近恒星系统中日冕物质抛射和高能粒子事件的射电辐射。
• 表征太阳系中太阳及外行星的射电活动。
• 为未来21厘米功率谱仪器实现高动态范围前景校准。
• 利用分布式天线阵列实现对低频射电源的连续全空覆盖监测。

提出的方法

• 使用移动部署探测车在月球背面10公里范围内部署128个偶极子天线。
• 通过缆线将天线连接至中央基站，以实现供电、数据处理，并中继至月球门户空间站或中继卫星。
• 利用环绕轨道的信标对天线阵列响应进行精确绝对校准。
• 利用月球背面天然的射电宁静环境，避免地球射频干扰、极光千米辐射以及太阳风等离子体噪声。
• 实施先进的前景建模与校准技术，以从天体物理前景中分离出微弱的全球21厘米信号。
• 在150 kHz至40 MHz范围内运行1400个频率通道，实现每分钟一次全空覆盖成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 月球背面的低频射电阵列是否能够实现探测暗时代全球21厘米信号所需的动态范围与灵敏度？
• RQ2 在月球上部署并校准大规模移动天线阵列的可行性如何？
• RQ3 该阵列能否探测到系外行星及其母恒星的射电爆发，特别是那些具有活跃磁层的天体？
• RQ4 月球远侧在多大程度上能有效屏蔽阵列免受地球与太阳射电干扰？
• RQ5 FARSIDE阵列在多大程度上可作为未来21厘米功率谱实验的先导？

主要发现

• FARSIDE架构可在150 kHz至40 MHz范围内、1400个通道上实现每分钟一次全空覆盖成像，频率范围延伸至地面射电天文无法覆盖的低段。
• 月球背面提供了对地球射频干扰、极光千米辐射及太阳风等离子体噪声的天然隔离，实现近乎连续的监测。
• 该阵列可探测到附近恒星系统中日冕物质抛射和高能粒子事件的射电特征。
• 该阵列具备探测最近潜在可居住系外行星磁层射电辐射的能力。
• 利用环绕轨道信标可实现精确的绝对校准，这对高动态范围前景扣除至关重要。
• FARSIDE通过以高保真度与高动态范围测量前景，为未来21厘米功率谱仪器提供了先导路径。