Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода
 Телескоп КАЙМ | |
| Часть | Радиоастрофизическая обсерватория Доминиона  |
|---|---|
| Местоположение(а) | Оканаган-Фолс , региональный округ Оканаган-Симилкамин , Британская Колумбия , Канада |
| Координаты | 49 ° 19'15 "с.ш. 119 ° 37'25" з.д. / 49,3208 ° с.ш. 119,6236 ° з.д. |
| Организация | Радиоастрофизическая обсерватория Доминиона Университет Макгилла Университет Британской Колумбии Университет Торонто |
| Высота | 545 м (1788 футов) |
| Длина волны | 37 см (810 МГц)–75 см (400 МГц) |
| Построен | 2015 – август 2017 г. |
| Первый свет | 7 сентября 2017 г. |
| Стиль телескопа | радиотелескоп Зенитный телескоп |
| Количество телескопов | 4 |
| Диаметр | |
| Длина | 100 м (328 футов 1 дюйм) |
| Ширина | 20 м (65 футов 7 дюймов) |
| Зона сбора | 8000 м 2 (86 000 кв. футов) |
| Веб-сайт | эксперимент с колокольчиками |
  Место проведения канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода | |
 Соответствующие СМИ на сайте Commons | |
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода ( CHIME ) — это интерферометрический радиотелескоп в Радиоастрофизической обсерватории Доминиона в Британской Колумбии , Канада , который состоит из четырех антенн, размером 100 х 20 метров состоящих из цилиндрических параболических отражателей (примерно размером и формой хафпайпов для сноуборда). ) с 1024 радиоприемниками двойной поляризации, подвешенными на опоре над ними. Антенна принимает радиоволны от водорода в космосе на частотах в диапазоне 400–800 МГц . телескопа Малошумящие усилители построены на основе компонентов, адаптированных из индустрии мобильных телефонов, а данные обрабатываются с помощью специально созданной электронной системы FPGA и высокопроизводительного кластера GPGPU с 1000 процессорами . [1] Телескоп не имеет движущихся частей и каждый день наблюдает за половиной неба, пока Земля вращается.
Он также оказался отличным инструментом для наблюдения быстрых радиовсплесков (FRB).
CHIME является партнерством Университета Британской Колумбии , Университета Макгилла , Университета Торонто и национального исследовательского совета Канадского Радиоастрофизической обсерватории Доминиона . эксплуатацию . 7 сентября 2017 года состоялась первая световая церемония открытия этапа ввода в
Научные цели
[ редактировать ]Космология
[ редактировать ]Одна из самых больших загадок современной космологии – почему расширение Вселенной ускоряется. [2] Сегодня около семидесяти процентов Вселенной состоит из так называемой темной энергии , которая противодействует силе притяжения гравитации и вызывает это ускорение. О том, что такое темная энергия, известно очень мало. CHIME находится в процессе точных измерений ускорения Вселенной, чтобы улучшить знания о том, как ведет себя темная энергия. Эксперимент предназначен для наблюдения за периодом в истории Вселенной, в течение которого стандартная модель ΛCDM предсказывает, что темная энергия начала доминировать в плотности энергии Вселенной и когда замедленное расширение перешло в ускорение.
CHIME будет проводить и другие наблюдения в дополнение к своей основной космологической цели. Ежедневный обзор неба с помощью CHIME позволит изучать нашу собственную галактику Млечный Путь в радиочастотах и, как ожидается, улучшит понимание галактических магнитных полей . [3]
CHIME также поможет другим экспериментам по калибровке измерений радиоволн от быстро вращающихся нейтронных звезд , которые исследователи надеются использовать для обнаружения гравитационных волн . [1]
Радиопереходные процессы
[ редактировать ]CHIME используется для обнаружения и мониторинга пульсаров и других переходных радиосигналов; Для этих научных целей был разработан специализированный инструмент. Телескоп круглосуточно наблюдает за 10 пульсарами, чтобы следить за изменениями в их времени, которые могут указывать на прохождение гравитационной волны . [4] CHIME способен обнаруживать загадочные внегалактические быстрые радиовсплески (FRB), которые длятся всего миллисекунды и не имеют четкого астрофизического объяснения. [1]
Метод
[ редактировать ]Прибор представляет собой гибридный полуцилиндрический интерферометр, предназначенный для измерения крупномасштабного спектра мощности нейтрального водорода в диапазоне красных смещений от 0,8 до 2,5. Спектр мощности будет использоваться для измерения масштаба барионных акустических колебаний (BAO) в этом диапазоне красных смещений, где темная энергия становится важным фактором эволюции Вселенной. [3]
CHIME чувствителен к радиоволнам длиной 21 см, излучаемым облаками нейтрального водорода в далеких галактиках, а также к волнам, смещенным в красную сторону. Измеряя распределение водорода во Вселенной (метод, известный как картирование интенсивности) , CHIME создаст трехмерную карту крупномасштабной структуры Вселенной между красными смещениями от 0,8 до 2,5, когда Вселенная составляла от 2,5 до 7 миллиардов. лет. Таким образом, CHIME составит карту более 3% общего наблюдаемого объема Вселенной, что значительно больше, чем было достигнуто с помощью крупномасштабных структурных исследований на сегодняшний день, в эпоху, когда Вселенная практически не наблюдается. [3] Карты крупномасштабной структуры можно использовать для измерения истории расширения Вселенной, поскольку звуковые волны в ранней Вселенной, или барионные акустические колебания (БАО), оставили небольшую сверхплотность в распределении материи на масштабах около 500 миллионов световых волн. годы. Этот характерный масштаб БАО был хорошо измерен такими экспериментами, как Планк , и поэтому может использоваться в качестве «стандартной линейки» для определения размера Вселенной как функции времени, тем самым указывая скорость расширения. [5]
На сегодняшний день измерения BAO проводятся путем наблюдения за распределением галактик на небе. В то время как будущие эксперименты, такие как «Обзор темной энергии» , «Евклид» и «Спектроскопический инструмент темной энергии» (DESI), будут продолжать использовать этот метод, CHIME является пионером в использовании радиоизлучения водорода, а не звездного света, в качестве индикатора структуры для обнаружения БАО. . Хотя CHIME не может использоваться для той же вспомогательной науки, в которой преуспевают исследования галактик, для измерений BAO CHIME представляет собой очень экономичную альтернативу, поскольку нет необходимости наблюдать за отдельными галактиками.
Технология
[ редактировать ]Решение использовать несколько удлиненных рефлекторов вместо множества круглых тарелок необычно, но не оригинально для CHIME: другими примерами полуцилиндрических телескопов являются Синтетический телескоп обсерватории Молонгло в Австралии и Радиотелескоп Северного Креста в Италии. Эта конструкция была выбрана для CHIME как экономичный способ размещения плотно расположенных радиоантенн, чтобы телескоп мог наблюдать небо в широком диапазоне угловых масштабов. Использование нескольких параллельных полуцилиндров дает сопоставимое разрешение по обеим осям телескопа.
Антенны специально разработаны для CHIME и обеспечивают хороший отклик в диапазоне от 400 до 800 МГц в двух линейных поляризациях. антенны на тефлоновой . основе Печатные в форме клеверного листа лепестков [ нужны разъяснения ] расположены вдоль фокальной линии каждого рефлектора полутрубы из проволочной сетки . Существуют симметрирующие устройства , объединяющие дифференциальные сигналы от двух соседних лепестков клевера в один несимметричный сигнал . В каждой антенне имеется по четыре лепестка, обеспечивающих два аналоговых выхода. Имея 256 антенн на каждый рефлектор и всего четыре рефлектора, телескоп может обрабатывать 2048 аналоговых выходных сигналов. [6] Сигнал от антенн усиливается в два этапа с использованием технологии, разработанной в индустрии сотовых телефонов. Это позволяет CHIME поддерживать относительно низкий уровень шума аналоговой цепи, оставаясь при этом доступной. [7] Каждая радиочастотная выходная мощность антенн усиливается малошумящим усилителем , расположенным рядом. Выходные сигналы усилителей передаются по коаксиальным кабелям длиной 60 метров (200 футов) к процессорам внутри экранированных контейнеров, называемых F-двигателями. [6]
CHIME работает как коррелятор, то есть входы всех антенн объединяются, так что вся система работает как одна система. Это требует значительных вычислительных мощностей. Аналоговые сигналы оцифровываются на частоте 800 МГц и обрабатываются с использованием комбинации изготовленных по индивидуальному заказу программируемых вентильных матриц (FPGA). [8] и графические процессоры (GPU). Pathfinder имеет полнофункциональный коррелятор, изготовленный из этих блоков, и продемонстрировал, что технология графического процессора потребительского уровня обеспечивает достаточную вычислительную мощность для CHIME за небольшую часть цены других радиокорреляторов. [3] [9] [10] [11] Между двумя соседними отражателями расположены два контейнера с двигателями F. Внутри контейнеров F-движка аналоговые сигналы фильтруются полосовым фильтром и усиливаются, а затем оцифровываются 8-битными аналого-цифровыми преобразователями с рабочей частотой дискретизации 800 миллионов выборок в секунду. телескопа В результате скорость передачи цифровых данных составила 13,11 терабит в секунду. Цифровые данные обрабатываются F-движками на базе FPGA для организации в частотные элементы. Затем данные передаются по оптическим кабелям в контейнер X-engine, расположенный рядом с телескопом. X-engine, имеющий 256 узлов обработки с графическими процессорами, выполняет корреляцию и усреднение данных F-engine. Преимуществом использования графических процессоров в конструкции X-engine является простота программирования. Однако это связано с более высоким энергопотреблением по сравнению с решением FPGA. Телескоп потребляет 250 киловатт электроэнергии. [6]
- Компоненты
Один из четырех отражателей полутрубы из проволочной сетки.
Антенны в форме клеверного листа на фокальной линии.
F-двигатель, расположенный между двумя соседними отражателями.
X-двигатель, расположенный рядом с телескопом CHIME.
История
[ редактировать ]
В 2013 году также в ДРАО был построен телескоп CHIME Pathfinder. [13] Это уменьшенная версия полноценного инструмента, состоящая из двух 36 х 20 метров полуцилиндров размером , оснащенных 128 антеннами с двойной поляризацией, и в настоящее время используется в качестве испытательного стенда для технологии CHIME и методов наблюдения. Кроме того, Pathfinder также сможет выполнять первоначальные измерения барионных акустических колебаний (BAO) с помощью метода картирования интенсивности и сам по себе станет полезным телескопом.
Строительство
[ редактировать ]Строительство CHIME началось в 2015 году в Радиоастрофизической обсерватории Доминиона (DRAO) недалеко от Пентиктона , Британская Колумбия , Канада . В ноябре 2015 года сообщалось, что CHIME «почти готов к работе» и требует установки приемников. [14] и создание суперкомпьютера. [15] В марте 2016 года был размещен контракт на поставку чипов по переработке. [16]
Строительство CHIME завершилось в августе 2017 года. первая световая церемония с участием федерального министра науки Кирсти Дункан, посвященная открытию этапа ввода в эксплуатацию. 7 сентября 2017 года состоялась [17] [18] [19]
Научные операции
[ редактировать ]Научные работы начались в конце сентября 2018 года. [20] и начал обнаруживать несколько событий в течение первой недели. [21]
Одним из первых открытий проекта CHIME/Fast Radio Burst Project (CHIME/FRB) стал второй наблюдаемый повторяющийся FRB, FRB 180814. [22] CHIME/FRB также обнаружил первый FRB, который повторяется через регулярные промежутки времени: 180916.J0158+65 имеет периодичность 16,35 дней. На расстоянии всего 500 миллионов световых лет это также самый близкий FRB, когда-либо обнаруженный. [23]
CHIME настолько чувствителен, что ожидалось, что в конечном итоге он сможет обнаруживать десятки FRB в день. [21] В каталоге CHIME/FRB 1 зарегистрировано 536 FRB за июль 2018–2019 года.
Ключевой вехой стало обнаружение FRB 200428 28 апреля 2020 г., которое стало первым FRB, у которого были обнаружены излучения, отличные от радиоволн, первым, обнаруженным в Млечном Пути, и первым, связанным с магнетаром. [24]
В 2022 году было принято решение о финансировании строительства трех аутригеров для локализации источников FRB. [25]
См. также
[ редактировать ]
- Список радиотелескопов
- Эксперимент по измерению интенсивности водорода и анализу в реальном времени (HIRAX), предлагаемая группа радиотелескопов в Южной Африке в том же диапазоне частот, что и CHIME.
- Канадская водородная обсерватория и детектор радиопереходных процессов (CHORD), предлагаемый широкополосный (300–1800 МГц) преемник CHIME. [26]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Кастельвекки, Давиде (2015). « Телескоп «Хафпайп» будет исследовать темную энергию в молодой Вселенной» . Природа . 523 (7562): 514–515. Бибкод : 2015Natur.523..514C . дои : 10.1038/523514a . ПМИД 26223607 .
- ^ Андреас Альбрехт; и др. (2006). «Отчет оперативной группы по темной энергии». arXiv : astro-ph/0609591 .
- ^ Jump up to: а б с д Кевин Бандура; и др. (2014). «Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) Pathfinder» . Труды SPIE . Том. 9145. arXiv : 1406.2288 . дои : 10.1117/12.2054950 .
- ^ Клери, Дэниел (15 марта 2019 г.). «Мигает при сканировании». Наука . 363 (6432): 1139. Бибкод : 2019Sci...363.1138C . дои : 10.1126/science.363.6432.1138 . ПМИД 30872502 . S2CID 78092579 .
- ^ Со, Хи Чон; Эйзенштейн, Дэниел Дж. (2003). «Исследование темной энергии с помощью барионных акустических колебаний на основе будущих исследований красного смещения больших галактик». Астрофизический журнал . 598 (2): 720–740. arXiv : astro-ph/0307460 . Бибкод : 2003ApJ...598..720S . дои : 10.1086/379122 . S2CID 13849508 .
- ^ Jump up to: а б с Лейбсон, Стивен (24 января 2019 г.). «Повторяющиеся быстрые радиовсплески вызывают канадский CHIME: FPGA, графические процессоры и центральные процессоры анализируют электромагнитный спектр Вселенной, чтобы сделать открытие» . Электронный инженерный журнал . Проверено 12 августа 2019 г.
- ^ Лора Ньюбург; и др. (2014). «Калибровка CHIME, нового радиоинтерферометра для исследования темной энергии» . Труды SPIE . Том. 9145. arXiv : 1406.2267 . дои : 10.1117/12.2056962 .
- ^ Бандура, Кевин; и др. (2016). «ICE: масштабируемая и недорогая система обработки сигналов телескопа и сетевой системы на базе FPGA». Дж. Астрон. Инст . 5 (4): 1641005. arXiv : 1608.06262 . Бибкод : 2016JAI.....541005B . дои : 10.1142/S2251171716410051 . S2CID 118853428 .
- ^ Речник, Андре; и др. (2015). Эффективный конвейер данных в реальном времени для радиотелескопа CHIME Pathfinder X-Engine . 26-я Международная конференция IEEE по прикладным системам, архитектурам и процессорам . Том. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. стр. 57–61. arXiv : 1503.06189 . Бибкод : 2015arXiv150306189R . ISBN 978-1-4799-1924-6 .
- ^ Клагес, Питер; и др. (2015). Ядра графического процессора для высокоскоростной 4-битной обработки астрофизических данных . 26-я Международная конференция IEEE по прикладным системам, архитектурам и процессорам . Том. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. стр. 164–165. arXiv : 1503.06203 . Бибкод : 2015arXiv150306203K . ISBN 978-1-4799-1924-6 .
- ^ Денман, Нолан; и др. (2015). X-движок Correlator на базе графического процессора, реализованный в CHIME Pathfinder . 26-я Международная конференция IEEE по прикладным системам, архитектурам и процессорам . Том. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. стр. 35–40. arXiv : 1503.06202 . Бибкод : 2015arXiv150306202D . ISBN 978-1-4799-1924-6 .
- ^ Амири, Мандана; Андерсен, Бриджит С.; Бандура, Кевин; Бергер, Сабрина; Бхардвадж, Мохит; Бойс, Мишель М.; Бойл, ПиДжей; Брар, Чаранжот; Брейтман, Даниэла; Кассанелли, Томас; Чавла, Прагья (01 декабря 2021 г.). «Первый каталог быстрых радиовсплесков CHIME/FRB» . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 257 (2): 59. arXiv : 2106.04352 . Бибкод : 2021ApJS..257...59C . дои : 10.3847/1538-4365/ac33ab . ISSN 0067-0049 . S2CID 235367793 .
- ^ Семенюк, Иван (27 января 2013 г.). «Канадские ученые пытаются пролить свет на темную энергию» . Глобус и почта . Торонто . Проверено 29 июля 2015 г.
- ^ Арстад, Стив (13 ноября 2015 г.). «Пентиктон принимает международную конференцию по астрофизике» . Инфоньюс . Проверено 8 марта 2016 г.
- ^ CHIME , Институт Данлэпа. Проверено: 7 марта 2016 г.
- ^ Канадский телескоп CHIME использует AMD для создания суперобъектива на базе графического процессора. апрель 2016 г.
- ↑ Слушая звонок Вселенной , Иван Семенюк, The Globe and Mail , 7 сентября 2017 г.
- ↑ Канадская изобретательность создала революционную технологию для телескопа CHIME , SpaceDaily, 11 сентября 2017 г.
- ^ Мюррей, Стив (22 марта 2018 г.). «CHIME начинает свой космический поиск» . Астрономический журнал . Проверено 24 марта 2018 г.
- ^ Проект CHIME Fast Radio Burst: Обзор системы . М. Амири, К. Бандура, П. Бергер, М. Бхардвадж, М. М. Бойс. Астрофизический журнал . 9 августа 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Радиотелескоп фиксирует загадочные низкочастотные всплески из-за пределов нашей галактики . Ребекка Джозеф, Global News . 3 августа 2018 г.
- ^ Сотрудничество CHIME/FRB (9 января 2019 г.). «Второй источник повторяющихся быстрых радиовсплесков». Природа . 566 (7743): 235–238. arXiv : 1901.04525 . Бибкод : 2019Natur.566..235C . дои : 10.1038/s41586-018-0864-x . ПМИД 30653190 . S2CID 186244363 .
- ^ Феррейра, Бекки (7 февраля 2020 г.). «Что-то в глубоком космосе посылает сигналы на Землю в устойчивых 16-дневных циклах» . Проверено 10 февраля 2020 г.
- ^ Велтман, Аманда; Уолтерс, Энтони (5 ноября 2020 г.). «Быстрый радиовсплеск в нашей Галактике» (PDF) . Природа . 587 (7832): 43–44. Бибкод : 2020Natur.587...43W . дои : 10.1038/d41586-020-03018-5 . ПМИД 33149287 . S2CID 226258016 .
- ^ Телескопы CHIME Outrigger ускоряют поиск быстрых радиовсплесков, апрель 2022 г.
- ^ К. Вандерлинде; К. Бандура; Л. Белостоцкий; Р. Бонд; П. Бойль; Дж. Браун; ХК Чан; М. Доббс; Б. Генслер; Г. Хиншоу; В. Каспи; Т. Ландекер; А. Лю; К. Масуи; Дж. Мена-Парра; С. Нг; У. Пен; М. Рупен; Дж. Сиверс; К. Смит; К. Спеккенс ; I. Лестница; Н. Турок; и др. (Коллаборация CHORD) (5 ноября 2019 г.). «Канадская водородная обсерватория и детектор радиопереходных процессов (CHORD)». Официальные документы канадского долгосрочного плана по астрономии и астрофизике . 2020 : 28. arXiv : 1911.01777 . Бибкод : 2019clrp.2020...28В . дои : 10.5281/zenodo.3765414 . S2CID 207870335 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Официальный сайт CHIME
- Страница Университета Торонто CHIME
- ЗВОНОК: Обновление статуса. 2013 44 слайда вкл. Схемы формирования балок
