[论文解读] The Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment: 256-Element Array Status and Overview

Devin Crichton, Moumita Aich+98 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 73被引用 69

一句话总结

HIRAX 在南非SKA观测站提出一个256单元的射电干涉仪阵列，采用6米口径f/0.23的反射面天线与双极化馈电，用于测绘南天15,000平方度区域中中性氢的21厘米发射线（红移范围0.775 < z < 2.55）。该巡天结合普朗克（Planck）数据可对暗能量状态方程实现约7%的约束，同时通过先进的数字后端系统（包括F-和X-引擎）实现高灵敏度、超宽带强度测绘，支持暂现源与吸收体科学研究。

ABSTRACT

The Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment (HIRAX) is a radio interferometer array currently in development, with an initial 256-element array to be deployed at the South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) Square Kilometer Array (SKA) site in South Africa. Each of the 6m, $f/0.23$ dishes will be instrumented with dual-polarisation feeds operating over a frequency range of 400-800 MHz. Through intensity mapping of the 21 cm emission line of neutral hydrogen, HIRAX will provide a cosmological survey of the distribution of large-scale structure over the redshift range of $0.775 < z < 2.55$ over $\sim$15,000 square degrees of the southern sky. The statistical power of such a survey is sufficient to produce $\sim$7 percent constraints on the dark energy equation of state parameter when combined with measurements from the Planck satellite. Additionally, HIRAX will provide a highly competitive platform for radio transient and HI absorber science while enabling a multitude of cross-correlation studies. In this paper, we describe the science goals of the experiment, overview of the design and status of the sub-components of the telescope system, and describe the expected performance of the initial 256-element array as well as the planned future expansion to the final, 1024-element array.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度、超宽带的射电干涉仪阵列，用于后再电离时期中性氢的宇宙学强度测绘。
• 实现亚角分量的指向精度与亚毫米级接收机定位精度，以最小化波束与系统误差。
• 通过结合HIRAX数据与普朗克（Planck）测量，实现对暗能量状态方程参数约7%的宇宙学约束。
• 通过超宽带、实时数据处理，为暂现源与中性氢吸收体科学研究提供具有竞争力的平台。
• 通过分阶段部署与系统验证，为未来1024单元阵列奠定基础。

提出的方法

• 在南非SARAO SKA观测站的100米×100米区域内部署256个双极化6米口径f/0.23反射面天线。
• 利用射频前端与数字后端系统（F-引擎与X-引擎）在400–800 MHz带宽内实时处理信号。
• 实施几何误差预算，目标公差为：0.5毫米接收机位置、2.5′波束对准、1毫米天线表面偏差，以及1′轴向指向/俯仰轴正交性。
• 使用CST Studio Suite进行电磁仿真，以模拟接收机错位与表面偏差对波束形状的劣化影响。
• 通过德班天文台（HartRAO）、多伦多射电天文观测站（Dominion Radio Astrophysical Observatory）与格林班克天文台（Green Bank Observatory）的无人机与全息测量方法开展波束表征。
• 在瑞士布雷恩天文台（Bleien Observatory）利用实测天测数据对X-引擎系统进行验证，为全面部署做准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 256单元强度测绘阵列能否在z ≈ 1–2.5的红移范围内实现宇宙学功率谱测量所需的光度与天体测量稳定性？
• RQ2 为维持超宽频带与阵列配置下的波束形状与灵敏度，机械与射频系统需满足何种公差要求？
• RQ3 当HIRAX数据与普朗克（Planck）数据结合时，能在多大程度上改善对暗能量状态方程参数的约束？
• RQ4 HIRAX在400–800 MHz频段内检测与表征射电暂现源及中性氢吸收体的效率如何？
• RQ5 F-与X-引擎数字后端系统在实时、超宽带信号处理用于强度测绘方面的性能表现如何？

主要发现

• 256单元的HIRAX阵列设计用于在红移0.775 < z < 2.55范围内覆盖南天15,000平方度的天区，涵盖后再电离时期。
• 该仪器预计在结合普朗克（Planck）卫星数据后，可对暗能量状态方程参数实现约7%的约束。
• 机械公差严格控制：接收机位置在0.5毫米内，波束对准在2.5′内，天线表面偏差在1毫米内。
• F-引擎与X-引擎数字后端系统已完成全部设计与原型制作，其中一台X-引擎节点已部署用于实测验证。
• 通过无人机与全息方法进行的波束表征结果表明，波束对准与波束形状保真度符合设计规范。
• 望远镜机械设计已最终确定，首批原型天线预计于2022年组装并完成测试。