利用低频空间干涉仪窥探暗时代
天体物理仪器与方法
2019-08-14 v1
摘要
中性氢充斥着婴儿宇宙，其红移 21-cm 信号使人们能够绘制宇宙图。该信号可用于探测天体物理过程，例如从 z~6 到 z~30 的第一批恒星、星系、（超大）质量黑洞的形成以及原始气体的增丰，以及比这更高红移处与引力、暗物质、暗能量和粒子物理相关的基础物理。当进入暗时代（z>30）时，宇宙变得原始纯净。地基低频射电望远镜旨在探测 21-cm 信号的空间涨落。作为补充，全局 21-cm 实验旨在测量天空平均的 21-cm 信号。逃离射频干扰（RFI）与电离层促使了空间任务的提出，例如荷中 NCLE 仪器（目前位于月球 L2）、拟议的由美国推动的月球或空间基仪器 DAPPER 与 FARSIDE、月球轨道干涉仪 DSL（中国）以及 PRATUSH（印度）。然而，为突破当前 z~25 的前沿并测量 21-cm 信号的全局与空间涨落（功率谱/层析），需要低频（1-100MHz；带宽~50MHz；z>13）、具有巨大可扩展收集面积（1-10-100 km2）、大填充因子（~1）与大视场（4pi sr.）且在 >5 年任务寿命内的空间基干涉仪。在本 ESA 白皮书中，我们主张发展新技术，使干涉仪能够部署于空间（如日地 L2）或月球附近（如表面、轨道或地月 L2），以瞄准该 21-cm 信号。这使其处于稳定环境中，免受大多数来自地球的 RFI 及其电离层畸变影响，从而能够探测暗时代与宇宙黎明，并允许研究未来数十年内以其他任何方式均无法触及的新（天体）物理。[节略]
引用
@article{arxiv.1908.04296,
title = {Peering into the Dark (Ages) with Low-Frequency Space Interferometers},
author = {Leon Koopmans and Rennan Barkana and Mark Bentum and Gianni Bernardi and Albert-Jan Boonstra and Judd Bowman and Jack Burns and Xuelei Chen and Abhirup Datta and Heino Falcke and Anastasia Fialkov and Bharat Gehlot and Leonid Gurvits and Vibor Jelić and Marc Klein-Wolt and Léon Koopmans and Joseph Lazio and Daan Meerburg and Garrelt Mellema and Florent Mertens and Andrei Mesinger and André Offringa and Jonathan Pritchard and Benoit Semelin and Ravi Subrahmanyan and Joseph Silk and Cathryn Trott and Harish Vedantham and Licia Verde and Saleem Zaroubi and Philippe Zarka},
journal= {arXiv preprint arXiv:1908.04296},
year = {2019}
}
备注
24 pages, 8 figures, 3 tables; White paper submitted to ESA Voyage 2050