探测宇宙暗时代的21 cm信号

宇宙“暗时代”指的是宇宙微波背景(CMB)最后一次散射与第一批光源出现之间的最长时期，涉及红移$1100\gtrsim z\gtrsim 30$。唯一的观测方式是考察中性氢HI的21 cm超精细跃迁线——由于红移极高(因此波长极长)，必须从地球外的轨道上进行观测。鉴于信号微弱，已提出在月球远侧部署射电阵列的方案，如FarView或FARSIDE，但设计仍处于初步阶段。本文研究了多种阵列设计，以确定不同设计决策对暗时代21 cm功率谱灵敏度的影响。我们采用灵敏度软件包21cmSense对various阵列配置进行建模和仿真。我们提出一种基于FarView概念修改方案的 fiducial 设计，包括约$2.5\,\rm{km}^{2}$的收集面积，由82,944个紧密排列的双极化偶极子组成，分为5,184个相关元件(子阵)，可在五年内实现对$z=30$信号的$>10\sigma$检测。我们发现，除了收集面积之外，实现此灵敏度的最重要因素是 Very short baseline(非常短的基线距离)，这只能通过小型密集天线实现。