Эксперимент по измерению интенсивности водорода и анализу в реальном времени
| Альтернативные названия | ХИРАКС |
|---|---|
| Местоположение(а) | ЮАР |
| Координаты | 30 ° 43'16 "ю.ш., 21 ° 24'40" в.д. / 30,7211 ° ю.ш., 21,4111 ° в.д. |
| Организация | Университет Квазулу-Наталь  |
| Длина волны | 37 см (810 МГц)–75 см (400 МГц) |
| Построен | 2019–2022 |
| Стиль телескопа | параболический отражатель радиотелескоп |
| Количество телескопов | 1,024 |
| Зона сбора | 28 000 м 2 (300 000 кв. футов) |
  Местонахождение интенсивности водорода и эксперимент по анализу в реальном времени | |
Эксперимент по измерению интенсивности водорода и анализу в реальном времени ( HIRAX ) представляет собой интерферометрическую группу из 1024 6 метров (20 футов диаметром радиотелескопов ) , работающих на частоте 400–800 МГц , которые будут развернуты на площадке Square Kilometer Array в Кару регионе . Южной Африки . Установка предназначена для измерения смещенной в красную сторону эмиссии линий водорода длиной 21 см в больших угловых масштабах, чтобы составить карту барионных акустических колебаний и ограничить модели темной энергии и темной материи . [ 1 ]
В коллаборацию HIRAX входят более десятка учреждений, в основном из Южной Африки, США и Канады, в том числе Университет Квазулу-Натал , Технологический университет Дурбана , Африканский институт математических наук , Международный университет Ботсваны. Науки и технологий , Университет Западного Кейпа , Университет Родоса , Университет Кейптауна , Университет Макгилла , Университет Торонто , Университет Британской Колумбии , Межуниверситетский центр астрономии и астрофизики , Йельский университет , Калифорнийский технологический институт , Карнеги-Меллон , Университет Висконсина , Университет Западной Вирджинии , Оксфордский университет , Лаборатория астрочастиц и космологии , Университет Нельсона Манделы , EPFL , ETH Zurich и НАСА Лаборатория реактивного движения . Он финансируется Национальным исследовательским фондом Южной Африки и партнерскими учреждениями.
Массив HIRAX назван в честь дамана , местного млекопитающего, а также в честь соседнего meerKAT радиотелескопа и его одноименного животного .
Научные цели
[ редактировать ]Природа темной энергии и темной материи — одна из величайших неразгаданных загадок современной космологии. [ 2 ] , было известно С конца 1920-х годов, с открытием закона Хаббла , что Вселенная расширяется. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] но на протяжении большей части 20-го века предполагалось, что это было замедляющееся расширение, последовавшее за горячим Большим Взрывом . Однако в конце 1990-х годов было обнаружено, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. [ 6 ] [ 7 ] Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, которая вызывает это ускорение, однако о ней мало что известно, за исключением того факта, что в настоящее время она должна составлять примерно 70% плотности энергии Вселенной. Темная материя также играет важную роль в росте структур во Вселенной. Считается, что это форма материи, которая взаимодействует с гравитационной силой , но не с электромагнитной силой , и известно, что она составляет примерно 25% плотности энергии Вселенной, но точная ее природа не понятна. Остальные 5% плотности энергии Вселенной — это барионная материя , которую мы можем видеть; звезды , , газ и пыль составляющие галактики и скопления галактик .
HIRAX предназначен для измерения воздействия темной энергии и темной материи на динамику Вселенной в течение длительного периода времени (~ 4 миллиарда лет), чтобы узнать больше об их природе. Это достигается путем изучения излучения линии длиной 21 см, создаваемого горячим диффузным нейтральным водородом из далеких скоплений галактик и из внутрископительной среды . [ 1 ] Этот нейтральный водород отслеживает крупномасштабные структуры во Вселенной и поэтому может использоваться для составления карты крупномасштабной на барионных акустических колебаниях структуры Вселенной, основанной (БАО). БАО имеют фиксированный движущийся размер, поэтому они действуют как стандартная линейка , отмечая расширение Вселенной с течением времени и, следовательно, предоставляя информацию о темной энергии и темной материи. Например, если темная энергия не является космологической константой , как предсказывает стандартная космологическая теория ΛCDM , то скорость ускорения Вселенной может не быть постоянной во времени.
Из-за расширения Вселенной рабочий диапазон 400–800 МГц прибора HIRAX соответствует смещенному в красную сторону 21-сантиметровому излучению от (7–11 лет назад , или когда Вселенной было от 2,5 до 6,5 миллиардов лет). [ 1 ] [ 8 ] Этот диапазон охватывает период, когда стандартная космологическая модель ΛCDM предсказывает, что темная энергия начинает влиять на динамику Вселенной, заставляя ее переходить от замедляющегося расширения к ускоряющемуся.
Массив HIRAX будет обследовать большую часть южного неба, чтобы составить карту BAO, а его большое поле зрения и большая зона обзора дополнительно сделают его очень мощным инструментом для обнаружения переходных радиоизлучений. В частности, HIRAX будет чрезвычайно эффективен при обнаружении быстрых радиовсплесков (FRB) и пульсаров . FRB — это короткие (~1 мс ) яркие (~1 Ян ) радиовсплески, происхождение которых совершенно неизвестно. По состоянию на 2021 год было обнаружено всего около 612 FRB, но массив HIRAX рассчитывает обнаруживать десятки FRB в день. [ 1 ] Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды , вращение которых заставляет их излучать радиочастотные импульсы с очень регулярной частотой. Точные измерения частоты их импульсов можно использовать для обнаружения гравитационных волн , поскольку гравитационные волны искажают размер пространства, через которое проходят импульсы, и, следовательно, время их прибытия на Землю.
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) является родственным экспериментом HIRAX. Он имеет схожие научные цели, но ведет наблюдения в северном полушарии и имеет другую инструментальную систематику . Канадская водородная обсерватория и детектор радиопереходных процессов (CHORD) — это радиотелескоп следующего поколения, строительство которого предлагается начать немедленно. CHORD — это общеканадский проект, созданный для развития успеха CHIME. Он станет родственным экспериментом HIRAX. [ 9 ] CHORD объединит лучшие инновации CHIME вместе с новыми канадскими технологиями. Небольшие цилиндры, созданные на основе конструкции CHIME и работающие в диапазоне 400–800 МГц, будут развернуты на удаленных опорных площадках и обеспечат локализацию радиопереходов на уровне миллисекунды дуги. Они будут дополнены сфокусированными массивами из 6-метровых композитных антенн на каждой площадке, оснащенных новыми сверхширокополосными (СШП) излучателями, охватывающими радиодиапазон 5:1 в диапазоне 300–1500 МГц.
Инструмент
[ редактировать ]Массив HIRAX будет состоять из 1024 параболических зеркальных рефлекторов диаметром 6 метров с полем зрения 5–10°. Тарелки будут не управляться, а фиксироваться в нужном положении и проноситься по небу при вращении Земли. Каждые несколько месяцев их будут вручную перенаправлять по высоте, чтобы обследовать новую полосу неба.
Тарелки очень глубокие, с числом f 0,23, что позволяет защитить сигналы от наводок на землю и перекрестных помех от соседних тарелок в массиве. Антенны были оптимизированы для обеспечения низких потерь и высокой отражательной способности в диапазоне наблюдения телескопа 400–800 МГц. Каждая антенна соединена с одной с двойной поляризацией типа клеверного листа дипольной антенной . Сигнал усиливается парой малошумящих усилителей (LNA) и передается в централизованную вычислительную структуру («серверную часть») посредством оптоволоконных каналов связи . [ 1 ]
На задней стороне сигнал дополнительно усиливается цепями аналоговых усилителей, затем оцифровывается и коррелируется с сигналами всех других антенн для получения единого связного изображения из всего массива. Операции оцифровки и формирования частотных каналов будут выполняться специальными платами программируемой вентильной матрицы (FPGA), а корреляция будет выполняться в кластере на базе специализированного графического процессора (GPU) высокопроизводительном вычислительном . [ 1 ] Эта операция корреляции требует чрезвычайно больших вычислительных затрат и является основной причиной того, что такие большие интерферометрические массивы ранее не применялись. При работе полного массива HIRAX потребуется обрабатывать 6,5 ТБ данных в секунду, что сопоставимо с общей пропускной способностью международного Интернета на африканском континенте. [ 8 ] [ 10 ] Эта проблема стала осуществимой благодаря недавним достижениям в области вычислений на базе графических процессоров, а также благодаря регулярному промежутку между элементами массива, что снижает сложность вычислений с к , где n — количество элементов массива. [ 1 ]
Статус
[ редактировать ]
В 2017 году сотрудничество HIRAX представило прототип решетки из 8 элементов в Радиоастрономической обсерватории Хартебестук (HartRAO), которая используется в качестве испытательного стенда для разработки аппаратного и программного обеспечения, что приведет к созданию полной решетки в Южноафриканской радиоастрономической обсерватории. (САРАО) участок в Кару. Строительство массива следопытов из 128 элементов планируется начать в 2024 году. Затем массив поисковиков будет расширен до полного массива из 1024 элементов в течение следующих трех лет. [ 1 ] [ 11 ] 8-элементная решетка HartRAO будет включена в полную установку в качестве «выносной» установки вместе с несколькими другими по всей южной Африке. Эти выносные опоры значительно улучшат угловое разрешение массива HIRAX, позволяя ему локализовать обнаружения FRB с точностью до доли угловой секунды. [ 12 ]
Университет Квазулу-Наталь , а также Южноафриканский департамент науки и технологий и Национальный исследовательский фонд объявили об официальном запуске эксперимента HIRAX в августе 2018 года. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
См. также
[ редактировать ]- Барионные акустические колебания
- Быстрый радиовсплеск
- Картирование интенсивности
- Список радиотелескопов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Л. Ньюберг; и др. (2016). Холл, Хелен Дж; Гильмоцци, Роберто; Маршалл, Хизер К. (ред.). «HIRAX: Исследование темной энергии и радиопереходных процессов». Труды SPIE . Наземные и бортовые телескопы VI. 9906 (9906): 99065Х. arXiv : 1607.02059 . Бибкод : 2016SPIE.9906E..5XN . дои : 10.1117/12.2234286 . S2CID 119280190 .
- ^ Андреас Альбрехт; и др. (2006). «Отчет оперативной группы по темной энергии». arXiv : astro-ph/0609591 .
- ^ Леметр, Ж. (1927). «Однородная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса, учитывающая радиальную скорость внегалактических туманностей». Анналы Брюссельского научного общества А. 47 (47): 49–59. Бибкод : 1927АССБ...47...49Л .
- ^ Леметр, Ж. (1931). «Расширение Вселенной. Однородная Вселенная с постоянной массой и увеличивающимся радиусом, учитывающая лучевую скорость внегалактических туманностей» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 91 (5): 483–490. Бибкод : 1931MNRAS..91..483L . дои : 10.1093/mnras/91.5.483 .
- ^ Хаббл, Э. (1929). «Связь между расстоянием и лучевой скоростью среди внегалактических туманностей» . Труды Национальной академии наук . 15 (3): 168–73. Бибкод : 1929PNAS...15..168H . дои : 10.1073/pnas.15.3.168 . ПМК 522427 . ПМИД 16577160 .
- ^ Рисс, Адам Г .; Филиппенко; Чаллис; Клоккьятти; Диркс; Гарнавич; Гиллиленд; Хоган; Джа; Киршнер; Лейбундгут; Филлипс; Рейсс; Шмидт; Шоммер; Смит; Спиромилио; Стаббс; Сунцев; Тонри (1998). «Наблюдения за сверхновыми ускоряющейся Вселенной и космологической постоянной». Астрономический журнал . 116 (3): 1009–38. arXiv : astro-ph/9805201 . Бибкод : 1998AJ....116.1009R . дои : 10.1086/300499 . S2CID 15640044 .
- ^ Перлмуттер, С .; Старение; Гольдхабер; Кнопка; Ньюджент; Кастро; Деустуа; Фаббро; Гобар; Жених; Крюк; Ким; Ким; Ли; Нуньес; Боль; Пеннипакер; Куимби; Лидман; Эллис; Ирвин; МакМахон; Руис-Лабридж; Уолтон; Шефер; Бойл; Филиппенко; Мэтисон; Фрукты; и др. (1999). «Измерения омеги и лямбды по 42 сверхновым с высоким красным смещением» Астрофизический журнал . 517 (2): 565–86. arXiv : astro-ph/9812133 . Бибкод : 1999ApJ...517..565P . дои : 10.1086/307221 . S2CID 118910636 .
- ^ Перейти обратно: а б «Новый телескоп раскрывает тайны радиовспышек и темной энергии» .
- ^ Вандерлинде, Кейт; Лю, Адриан; Генслер, Брайан; Бонд, Дик; Хиншоу, Гэри; Нг, Черри; Чанг, Синтия; Лестница, Ингрид; Браун, Джо-Энн (21 октября 2019 г.). Канадская водородная обсерватория и детектор радиопереходных процессов (CHORD) (Отчет). [объект Объект]. дои : 10.5281/zenodo.3765414 .
В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 4.0 .
- ^ «Карты пропускной способности Африки» . www.africabandwidthmaps.com .
- ^ Перейти обратно: а б «Телескоп темной энергии, охотники за астероидами и правила генной терапии» . Природа . 560 (7719): 414–415. 1 августа 2018 г. Бибкод : 2018Natur.560..414. . дои : 10.1038/d41586-018-05983-4 . ПМИД 30135538 .
- ^ Перейти обратно: а б «Проект телескопа HIRAX официально запущен. – Отдел исследований астрофизики и космологии» . acru.ukzn.ac.za. 17 августа 2018 г.
- ^ «Новый радиотелескоп запущен в Южной Африке, чтобы разгадать тайну «темной энергии» » . 20 августа 2018 г.
