[论文解读] The DSA-2000 -- A Radio Survey Camera

Gregg Hallinan, Vikram Ravi+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2019

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

一句话总结

DSA-2000 提出建造一个由 2000 个 5 米直径抛物面天线组成的可转向阵列，工作频段为 0.7–2 GHz，旨在实现全斯托克斯、全天区的巡天观测，空间分辨率达 3.5 角秒，灵敏度达 500 nJy/beam。该阵列将在五年内探测超过 10 亿个射电源，实现前所未有的暂现源探测、脉冲星计时以及多信使天文学研究，其巡天速度是 SKA1-mid 的 10 倍。

ABSTRACT

We present the DSA-2000: a world-leading radio survey telescope and multi-messenger discovery engine for the next decade. The array will be the first true radio camera, outputting science-ready image data over the 0.7 - 2 GHz frequency range with a spatial resolution of 3.5 arcsec. With 2000 x 5 m dishes, the DSA-2000 will have an equivalent point-source sensitivity to SKA1-mid, but with ten times the survey speed. The DSA-2000 is envisaged as an all-sky survey instrument complementary to the ngVLA, and as a counterpart to the LSST (optical), SPHEREx (near-infrared) and SRG/eROSITA (X-ray) all-sky surveys. Over a five-year prime phase, the DSA-2000 will image the entire sky above declination -30 degrees every four months, detecting > 1 unique billion radio sources in a combined full-Stokes sky map with 500 nJy/beam rms noise. This all-sky survey will be complemented by intermediate and deep surveys, as well as spectral and polarization image cubes. The array will be a cornerstone for multi-messenger science, serving as the principal instrument for the US pulsar timing array community, and by searching for radio afterglows of compact object mergers detected by LIGO and Virgo. The array will simultaneously detect and localize ~10,000 fast radio bursts each year, realizing their ultimate use as a cosmological tool. The DSA-2000 will be proposed to the NSF Mid-Scale Research Infrastructure-2 program with a view to first light in 2026

研究动机与目标

• 创建一台世界领先的射电巡天仪器，专为大范围、高速、即用型成像而优化。
• 实现对北天区（赤纬高于 −30°）的周期性全天区巡天，巡天周期为 4 个月，空间分辨率达 3.5 角秒。
• 通过探测致密天体并合事件的射电余晖，实现多信使天文学研究，每年定位约 10,000 个快速射电暴。
• 作为美国脉冲星计时阵列的核心支柱，与光学（LSST）、红外（SPHEREx）和 X 射线（eROSITA）全天巡天形成互补。
• 为天文界提供公开的、完全校准的、多历元、多波段的图像与星表档案库。

提出的方法

• DSA-2000 将使用 2000 个 × 5 米可转向抛物面天线，构成一个波束成形的干涉仪阵列，覆盖 0.7–2 GHz 频段。
• 采用数字后端系统，包含实时波束成形与相关器，以生成全斯托克斯、宽带宽的图像。
• 通过基于 GPU 加速的、方向相关的校准与成像处理流水线，实现实时数据处理，生成即用型科学图像。
• 系统将采用 16 个历元的巡天周期，每 4 个月一次，每个历元生成 10 × 128 MHz 波段图像和一张万亿像素的宽频带图像。
• 数据将存储于两个地理位置相距较远的地点，经过 18 个月的专有期后，向公众开放全部天区的图像立方体与星表。
• 阵列将采用可扩展、低成本的组件，源自 DSA-110 原型机和 NRAO 现有基础设施。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 0.7–2 GHz 频段，大规模、可转向、专用射电巡天阵列所能实现的最大巡天速度与灵敏度极限是多少？
• RQ2 在 500 nJy/beam 灵敏度和 3.5 角秒分辨率条件下，全斯托克斯、全天区巡天能探测到多少个射电源？
• RQ3 单孔径、波束成形阵列能否在保持与 SKA1-mid 相当灵敏度的同时，实现 10 倍于 SKA1-mid 的巡天速度？
• RQ4 此类系统预计能以多快的速率探测到快速射电暴和引力波事件的射电余晖？
• RQ5 如何设计一个能够处理 2000 个单元射电阵列数据量的实时、端到端成像处理流水线？

主要发现

• DSA-2000 将每四个月对赤纬高于 −30° 的整个天区进行一次成像，生成的叠加全天区图像的均方根噪声为 500 nJy/beam。
• 该巡天将在全斯托克斯天区图中探测到超过 10 亿个独特的射电源，主要由各红移区间的恒星形成星系主导。
• 该阵列的巡天速度将比 SKA1-mid 快 10 倍，且在相同频段内与 SKA1-mid 具有等效的点源灵敏度。
• 系统预计每年可定位约 10,000 个快速射电暴，使其可作为宇宙学探针使用。
• DSA-2000 将探测到红移 z = 1.1 以内的恒星形成星系和低光度活动星系核，探测体积比 VLASS 大 2500 倍。
• 总建设成本预计为 9625 万美元，其中 7000 万美元来自 NSF MSRI-2 计划，其余资金由合作伙伴提供。