Водородная эпоха реионизационной матрицы
 | |
| Альтернативные названия | ГЕРА |
|---|---|
| Местоположение(а) | ЮАР |
| Координаты | 30 ° 43'17 "ю.ш. 21 ° 25'42" в.д. / 30,72146 ° ю.ш. 21,42822 ° в.д. |
| Стиль телескопа | радиотелескоп  |
| Диаметр | 14 м (45 футов 11 дюймов) |
| Веб-сайт | реионизация |
  Расположение водородной эпохи реионизационного массива | |
 Соответствующие СМИ на сайте Commons | |
Водородная Эпоха Реионизации ( HERA ) – это радиотелескоп, предназначенный для наблюдения за крупномасштабными структурами во время и до эпохи реионизации . HERA — это инструмент-предшественник массива квадратных километров (SKA), предназначенный для наблюдения за ранней Вселенной и оказания помощи в разработке полной SKA. Наряду с MeerKAT , также находящимся в Южной Африке, и двумя радиотелескопами в Западной Австралии , австралийским SKA Pathfinder (ASKAP) и Murchison Widefield Array (MWA), HERA является одним из четырех предшественников окончательного SKA. [ 1 ] Он расположен в национальном парке Сурикат .
Мотивация
[ редактировать ]Вселенной Между эпохой рекомбинации ( z =1100) и временем (z = 7±1 [ 2 ] ), после чего межгалактический газ в значительной степени реионизируется. Исследования космического микроволнового фона (CMB) показали структуру Вселенной в начале этого интервала, а глубокие оптические исследования, такие как Sloan Digital Sky Survey, показывают структуру после этого временного интервала, но данных из космоса мало. время, когда первое поколение звезд появились и самые ранние черные дыры. Поскольку водород был, безусловно, наиболее распространенным элементом в ранней Вселенной, естественный способ изучить эпоху появления звезд — это посмотреть на долю ионизированного водорода. Астрономы наблюдают холодный атомарный водород со спектральной линией 21 см (1420 МГц) . Предполагая, что реионизация происходит при z = 6–8, можно было бы ожидать увидеть эту спектральную линию с красным смещением в диапазон частот от 150 до 200 МГц. Ряд инструментов, таких как PAPER , LOFAR и MWA, искали это излучение. HERA — это проект по поиску этого излучения с повышенной чувствительностью.
CMB обеспечивает фоновый экран, на котором будет виден сигнал реионизации водорода. Очень холодный газообразный водород будет поглощать фотоны реликтового излучения и вызывать провал в сигнале реликтового излучения. Теплый водород будет испускать фотоны длиной 21 см (остальная рамка), увеличивая яркость неба выше той, которую обеспечивает реликтовое излучение. После полной реионизации водорода на реликтовое излучение больше не будут влиять переходы линии 21 см нейтрального водорода. Наблюдение того, как поглощение и излучение изменяются в зависимости от z и положения на небе, обеспечит жесткие ограничения на модели формирования звезд, галактик и сверхмассивных черных дыр.
Технические проблемы
[ редактировать ]HERA будет вести наблюдение в диапазоне частот от 50 до 250 МГц. [ 3 ] Этот диапазон частот включает сигналы вещания FM-радио , телевидения и многих других наземных источников. Эти сигналы будут на много порядков сильнее, чем сигнал, который ищет HERA, поэтому, чтобы минимизировать эти помехи, HERA строится в малонаселенной пустыне Кару в Южной Африке, недалеко от Карнарвона .
Помехи от Солнца также мешают наблюдениям, что ограничивает наблюдения ночными часами. Галактической плоскости Млечного Пути также следует избегать. Эти два ограничения ограничивают научные наблюдения HERA ежегодным окном наблюдений продолжительностью примерно 4 месяца.
Еще одной серьезной технической проблемой является излучение источников на переднем плане, таких как квазары и ионизированный газ в пределах Млечного Пути. Ожидается, что это излучение будет на четыре-пять порядков сильнее, чем сигналы эпохи рекомбинации, которые HERA попытается обнаружить. Однако этот передний план состоит из синхротронного и свободного излучения, не имеющего узких спектральных особенностей. Целью HERA, напротив, является обнаружение образования теплых нейтральных и ионизированных областей внутри межгалактического газа, и эти области должны давать узкие спектральные характеристики. Массив HERA должен иметь плавную спектральную полосу пропускания, чтобы, когда излучение переднего плана вычитается из обнаруженного сигнала, оставшиеся узкие детали исходят от астрономических объектов, а не от спектрального отклика инструмента. [ 4 ]
Конструкция телескопа
[ редактировать ]HERA — это радиоинтерферометр, кросс-коррелирующий сигналы от пар отдельных антенн. Радиоинтерферометры, предназначенные для визуализации, обычно проектируются так, чтобы минимизировать количество одинаковых базовых линий, чтобы измерить излучение на максимально возможном количестве пространственных частот для восстановления изображения. [ 5 ] Напротив, антенны в массиве HERA развернуты в виде шестиугольной мозаики , что обеспечивает большое количество идентичных базовых линий. Хотя такая геометрия снижает качество изображений, которые может создавать HERA, она позволяет суммировать сигналы от идентичных базовых линий, чтобы улучшить соотношение сигнал/шум.
Отдельные антенны имеют перекрестный дипольный облучатель, подвешенный над параболической антенной из проволочной сетки длиной 14 метров . [ 6 ] Антенны не управляемые, направлены в зенит. Размер антенны был выбран достаточно большим, чтобы любые стоячие волны внутри антенной конструкции находились на частотах ниже 50 МГц, за пределами интересующего диапазона частот. Антенны изготовлены из недорогих материалов, таких как дерево и трубы ПВХ . [ 7 ]
По завершении решетка будет состоять из 350 антенн (318 в плотно упакованном шестикональном сердечнике диаметром 300 метров и 32 в более удаленных выносных опорах). [ 8 ] Общая площадь сбора составит 54 000 м², как и у обсерватории Аресибо .
Результаты
[ редактировать ]Из-за большой пропускной способности массива (что усложняет вычитание сигнала переднего плана) и слабости космологического сигнала (примерно 10 милликельвинов) маловероятно, что HERA сможет создавать высококачественные изображения отдельных структур внутри реионизирующего газа. Вместо этого массив будет измерять спектр мощности колебаний газа, как это делали ранние инструменты CMB. [ 9 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Предшественники и следопыты» . Массив квадратных километров . Проверено 22 ноября 2020 г.
- ^ Грейг, Брэдли; Мезингер, Андрей (март 2017 г.). «Глобальная история реионизации» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 465 (4): 4838–4852. arXiv : 1605.05374 . Бибкод : 2017MNRAS.465.4838G . дои : 10.1093/mnras/stw3026 . S2CID 119241410 . Проверено 25 ноября 2020 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неотмеченный бесплатный DOI ( ссылка ) - ^ ДеБоер, Дэвид Р.; Парсонс, Аарон Р.; и др. (апрель 2017 г.). «Водородная эпоха реионизационной решетки (HERA)» . Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 129 (974): 045001. arXiv : 1606.07473 . Бибкод : 2017PASP..129d5001D . дои : 10.1088/1538-3873/129/974/045001 . S2CID 2874230 . Проверено 22 ноября 2020 г.
- ^ Карилли, CL; Тьягараджан, Н.; и др. (апрель 2020 г.). «Данные изображения и моделирования водородной эпохи реионизационного массива» . Американское астрономическое общество . 247 (2): 67. arXiv : 2002.07692 . Бибкод : 2020ApJS..247...67C . дои : 10.3847/1538-4365/ab77b1 . hdl : 1721.1/132461.2 . S2CID 216275682 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Кето, Эрик (1997). «Формы кросс-корреляционных интерферометров» . Астрофизический журнал . 475 (2): 843–852. Бибкод : 1997ApJ...475..843K . дои : 10.1086/303545 . S2CID 49578504 .
- ^ Фаньони, Н.; Де Лера Аседо, Э. (2016). «Водородная эпоха реионизационной решетки» (HERA) — улучшение отклика антенны с помощью согласующей сети и научного воздействия» (PDF) . Международная конференция по электромагнетизму в передовых приложениях (ICEAA) , 2016 г. стр. 629–632. arXiv : 1606.08701 . дои : 10.1109/ICEAA.2016.7731474 . ISBN 978-1-4673-9811-4 . S2CID 206786624 . Проверено 25 ноября 2020 г.
- ^ «Технический дизайн» . HERA Водородная эпоха реионизационной матрицы . Проверено 25 ноября 2020 г.
- ^ «О Гере» . HERA Водородная эпоха реионизационной матрицы . Проверено 23 мая 2021 г.
- ^ Агирре, Джеймс Э.; Бердсли, Адам П.; и др. (сентябрь 2019 г.). «Дорожная карта для астрофизики и космологии с картированием интенсивности с высоким красным смещением на расстоянии 21 см». Бюллетень Американского астрономического общества . 51 (7): 241. arXiv : 1907.06440 . Бибкод : 2019БААС...51г.241П .