水素強度とリアルタイム分析実験
水素強度とリアルタイム分析実験
別名ヒラックス
場所南アフリカ
座標南緯30度43分16秒 東経21度24分40秒 / 南緯30.7211度 東経21.4111度 / -30.7211; 21.4111
波長37 cm (810 MHz)～75 cm (400 MHz)
収集エリア28,000 m 2 (300,000平方フィート)
水素強度とリアルタイム分析実験は南アフリカにあります
水素強度とリアルタイム分析実験
水素強度の測定とリアルタイム分析実験
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水素強度・リアルタイム解析実験（HIRAX） は、南アフリカのカルー地域にあるスクエア・キロメートル・アレイに設置される、直径6メートル（20フィート）の電波望遠鏡1024基からなる干渉計アレイで、400～ 800MHzで運用されます。このアレイは、赤方偏移した21cmの水素線放射を広い角度スケールで測定し、重粒子音響振動をマッピングし、暗黒エネルギーと暗黒物質のモデルを制約するように設計されています。[1]

HIRAXコラボレーションは、主に南アフリカ、米国、カナダの10を超える機関で構成されており、クワズール・ナタール大学、ダーバン工科大学、アフリカ数学科学研究所、ボツワナ国際科学技術大学、西ケープ大学、ローズ大学、ケープタウン大学、マギル大学、トロント大学、ブリティッシュコロンビア大学、大学間天文学・天体物理学センター、イェール大学、カリフォルニア工科大学、カーネギーメロン大学、ウィスコンシン大学、ウェストバージニア大学、オックスフォード大学、天体粒子・宇宙論研究所、ネルソン・マンデラ大学、EPFL、チューリッヒ工科大学、NASAジェット推進研究所が含まれています。このプロジェクトは、南アフリカ国立研究財団とパートナー機関の資金提供を受けています。

HIRAXアレイは、地元の哺乳類であるハイラックスにちなんで名付けられ、また、隣接するmeerKAT電波望遠鏡とその名にちなんで名付けられた動物にちなんで名付けられました。

科学目標

暗黒エネルギーと暗黒物質の性質は、現代宇宙論における最大の未解決の謎の一つである。[2]宇宙が膨張していることは、ハッブルの法則の発見により、1920年代後半から知られているが、 [3] [4] [5] 20世紀のほとんどの間、これは熱いビッグバンに続く減速膨張であると考えられていた。しかし、1990年代後半に、宇宙の膨張は実際には加速していることが発見された。[6] [7] 暗黒エネルギーはこの加速を引き起こすと仮定されたエネルギー形態であるが、現在それが宇宙のエネルギー密度の約70%を占めるという事実以外はほとんどわかっていない。暗黒物質はまた、宇宙内の構造の成長に重要な役割を果たしている。重力とは相互作用するが電磁力とは相互作用しない物質の一種であると考えられており、宇宙のエネルギー密度の約25%を占めることが知られていますが、その正確な性質は解明されていません。宇宙のエネルギー密度の残りの5%は、私たちが目にすることができるバリオン物質、つまり銀河や銀河団を構成する星、ガス、塵です。

HIRAXは、ダークエネルギーとダークマターが宇宙のダイナミクスに及ぼす影響を長期間（約40億年）にわたって測定し、その性質についてより深く理解することを目的として設計されている。これは、遠方の銀河団や銀河団間物質から放出される高温の拡散中性水素が発する21cmの輝線を観測することによって達成される。[1]この中性水素は宇宙の大規模構造を描き出すため、宇宙の大規模バリオン音響振動（BAO）構造を描き出すために使用できる。BAOは共動サイズが固定されているため、標準的な定規として機能し、時間の経過に伴う宇宙の膨張を示し、ダークエネルギーとダークマターに関する情報を提供する。例えば、標準的なΛCDM宇宙論が予測するようにダークエネルギーが宇宙定数でない場合、宇宙の加速率は時間の経過とともに一定ではない可能性がある。

宇宙の膨張により、HIRAX装置の400～800MHzの動作帯域は、 7～11億年前（宇宙の年齢が25億年から65億年の間）の赤方偏移した21cm放射に対応しています。 [1] [8]この範囲は、標準的なΛCDM宇宙論モデルが予測する、暗黒エネルギーが宇宙のダイナミクスに影響を与え始め、減速膨張から加速膨張への移行を引き起こしている期間を含みます。 0.8 < z < 2.5 {\displaystyle 0.8<z<2.5}

HIRAXアレイは、BAOの地図を作成するために南天の大部分を調査するとともに、その広い視野と広い調査領域により、電波過渡現象を検出するための非常に強力なツールとなる。特に、HIRAXは高速電波バースト（FRB）とパルサーの検出に非常に効率的である。FRBは、発生源が全く分かっていない短い（約1ミリ秒）明るい（約1 Jy）電波バーストである。2021年の時点で約612個しか検出されていないが、HIRAXアレイは1日あたり数十個のFRBを検出すると予想されている。[1]パルサーは高速で回転する中性子星で、その回転により非常に規則的な速度で無線周波数パルスを放射しているように見える。パルスの速度を正確に測定すれば、重力波の検出に使用できる可能性がある。重力波はパルスが通過する空間のサイズを歪ませ、地球への到達時間を歪めるからである。

カナダ水素強度マッピング実験（CHIME）は、HIRAXの姉妹実験です。同様の科学的目的を持っていますが、北半球で観測し、機器の系統が異なります。カナダ水素観測所および電波過渡現象検出器（CHORD）は、次世代の電波望遠鏡であり、すぐに建設を開始することが提案されています。CHORDは、CHIMEの成功と連携して構築するように設計された全カナダプロジェクトです。HIRAXの姉妹実験としての役割を果たします。[9] CHORDは、CHIMEの最高のイノベーションとカナダの新しい技術を取り入れます。CHIMEの設計から派生し、400〜800MHzで動作する小さなシリンダーは、遠隔地のアウトリガーサイトに配置され、電波過渡現象のミリ秒角レベルの位置特定を提供します。これらに加えて、各サイトでは、300～1500MHzの5:1無線帯域をカバーする、新しい超広帯域（UWB）フィードを備えた6mの複合アンテナの集束アレイが設置されます。

楽器

HIRAXアレイは、視野角5～10°の直径6メートルのパラボラ反射鏡1024台で構成されます。これらの反射鏡は操作されず、固定された位置で地球の自転に合わせて空を掃引します。数ヶ月ごとに手動で仰角を調整し、新たな空の帯状の領域を観測します。

アンテナは極めて深く、F値は0.23です。これにより、地上からの電波の受信や、アレイ内の隣接するアンテナからのクロストークが遮蔽されます。アンテナは、望遠鏡の400～800MHzの観測帯域全体にわたって、低損失かつ高反射率となるよう最適化されています。各アンテナは、1つの二重偏波クローバーリーフダイポールアンテナに接続されています。信号は2つの低雑音増幅器（LNA）によって増幅され、光ファイバーリンクを介して集中計算構造（「バックエンド」）に伝送されます。[1]

バックエンドでは、信号はアナログ増幅器チェーンによってさらに増幅され、その後デジタル化され、他のすべてのアンテナからの信号と相関されて、アレイ全体から単一のコヒーレント画像が生成されます。デジタル化および周波数チャネル化操作は、カスタムフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）ボードによって実行され、相関はカスタムグラフィックスプロセッシングユニット（GPU）ベースの高性能コンピューティングクラスターで実行されます。 [1]この相関操作は計算コストが非常に高く、これが、このような大規模な干渉計アレイがこれまで実用化されなかった主な理由です。アレイ全体の動作では、HIRAXは1秒あたり6.5 Tbのデータを処理する必要があり、これはアフリカ大陸の国際インターネット帯域幅の合計に匹敵します。[8] [10]この問題は、GPUベースのコンピューティングの最近の進歩と、アレイ要素間の規則的な間隔によって実現可能になりました。これにより、計算の難易度が から に低下します（nはアレイ内の要素数）。[1] お （ n 2 ） {\displaystyle O(n^{2})} お （ n ログ ⁡ n ） {\displaystyle O(n\log n)}

状態

2017 年、HartRAO の HIRAX プロトタイプ望遠鏡アレイ。

HIRAX共同研究グループは、2017年にハートビーストフック電波天文台（HartRAO）に8素子のプロトタイプアレイを設置しました。このアレイは、南アフリカ電波天文台（SARAO）のカルー地域における本格的なアレイ建設に先立ち、ハードウェアおよびソフトウェア開発のテストベッドとして利用されています。128素子のパスファインダーアレイの建設は2024年に開始される予定です。その後、パスファインダーアレイは3年間かけて1024素子のフルアレイへと拡張されます。[1] [11] HartRAOの8素子アレイは、南アフリカ全土に設置されている他のアレイと共に、「アウトリガー」アレイとしてフルアレイに組み込まれます。これらのアウトリガーアレイは、HIRAXアレイの角度分解能を飛躍的に向上させ、FRBの検出位置を1秒角未満の精度で特定することを可能にします。[12]

クワズール・ナタール大学、南アフリカ 科学技術省、 国立研究財団は、 2018年8月にHIRAX実験の正式な開始を発表した。[11] [12] [13]

参照

参考文献

  1. ^ abcdefgh L. Newburgh; et al. (2016). 「HIRAX：ダークエネルギーと電波過渡現象の探査」. Hall, Helen J.、Gilmozzi, Roberto、Marshall, Heather K. (編). Ground-based and Airborne Telescopes VI . Vol. 9906. pp. 99065X. arXiv : 1607.02059 . Bibcode :2016SPIE.9906E..5XN. doi :10.1117/12.2234286. S2CID  119280190. {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  2. ^ Andreas Albrecht; et al. (2006). 「ダークエネルギータスクフォース報告書」arXiv : astro-ph/0609591 .
  3. ^ ルメートル、G. (1927)。 「Un univers homogène de Masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques」。ブリュッセル科学学会誌A. 47 (47): 49–59。ビブコード:1927ASSB...47...49L。
  4. ^ Lemaître, G. (1931). 「宇宙の膨張：質量一定で半径が増加する均質宇宙における銀河系外星雲の視線速度の説明力」Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 91 (5): 483– 490. Bibcode :1931MNRAS..91..483L. doi : 10.1093/mnras/91.5.483 .
  5. ^ ハッブル, E. (1929). 「銀河系外星雲における距離と視線速度の関係」. Proceedings of the National Academy of Sciences . 15 (3): 168– 73. Bibcode :1929PNAS...15..168H. doi : 10.1073/pnas.15.3.168 . PMC 522427. PMID  16577160 .  
  6. ^ Riess, Adam G. ; Filippenko; Challis; Clocchiatti; Diercks; Garnavich; Gilliland; Hogan; Jha; Kirshner; Leibundgut; Phillips; Reiss; Schmidt; Schommer; Smith; Spyromilio; Stubbs; Suntzeff; Tonry (1998). 「加速宇宙と宇宙定数に関する超新星からの観測的証拠」. Astronomical Journal . 116 (3): 1009– 38. arXiv : astro-ph/9805201 . Bibcode :1998AJ....116.1009R. doi :10.1086/300499. S2CID  15640044.
  7. ^ パールマッター、S. ;ハンノキ。ゴールドハーバー;ノックしてください。ニュージェント;カストロ。デウストゥア;ファブロ;グーバー;新郎。フック;キム;キム;リー;ヌネス。痛み;ペニーパッカー。クインビー;リッドマン。エリス。アーウィン。マクマホン。ルイス・ラプエンテ。ウォルトン。シェーファー。ボイル;フィリペンコ。マシソン。フルヒター;他。 （1999年）。 「42個の高赤方偏移超新星からのオメガとラムダの測定」。天体物理学ジャーナル。517 (2): 565–86 . arXiv : astro-ph/9812133。Bibcode :1999ApJ...517..565P。土井：10.1086/307221。S2CID  118910636。
  8. ^ ab 「新しい望遠鏡が電波フラッシュとダークエネルギーの謎を追う」
  9. ^ Vanderlinde, Keith; Liu, Adrian; Gaensler, Bryan; Bond, Dick; Hinshaw, Gary; Ng, Cherry; Chiang, Cynthia; Stairs, Ingrid; Brown, Jo-Anne (2019-10-21). カナダ水素観測所および無線過渡検出器 (CHORD) (報告書). [object Object]. doi :10.5281/zenodo.3765414. この記事には、CC BY 4.0 ライセンスの下で利用可能なこのソースからのテキストが組み込まれています。
  10. ^ 「アフリカ帯域幅マップ」www.africabandwidthmaps.com。
  11. ^ ab 「ダークエネルギー望遠鏡、小惑星ハンター、そして遺伝子治療のルール」Nature 560 ( 7719 ): 414– 415. 2018年8月1日. Bibcode :2018Natur.560..414.. doi : 10.1038/d41586-018-05983-4 . PMID  30135538​​.
  12. ^ ab 「HIRAX望遠鏡プロジェクトが正式に開始。 – 天体物理学および宇宙論研究ユニット」acru.ukzn.ac.za 2018年8月17日。
  13. ^ 「『ダークエネルギー』の謎を解くため、南アフリカで新しい電波望遠鏡が打ち上げられた」2018年8月20日。
  • HIRAX公式サイト
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