Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода - Википедия - Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment

Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода - general.jpg
Телескоп CHIME
ЧастьРадиоастрофизическая обсерватория Доминион  Отредактируйте это в Викиданных
Местоположение (а)Водопад Оканаган, британская Колумбия, Канада
Координаты49 ° 19′16 ″ с.ш. 119 ° 37′26 ″ з.д. / 49,321 ° с.ш.119,624 ° з. / 49.321; -119.624Координаты: 49 ° 19′16 ″ с.ш. 119 ° 37′26 ″ з.д. / 49,321 ° с.ш.119,624 ° з. / 49.321; -119.624 Отредактируйте это в Викиданных
ОрганизацияРадиоастрофизическая обсерватория Доминион
Университет Макгилла
Университет Британской Колумбии
Университет Торонто  Отредактируйте это в Викиданных
Высота545 м (1788 футов) Отредактируйте это в Викиданных
Длина волны37 см (810 МГц) -75 см (400 МГц)
Построен2015 – август 2017 г. (2015 – август 2017 г.) Отредактируйте это в Викиданных
Первый свет7 сентября 2017 г.Отредактируйте это в Викиданных
Стиль телескопапараболический отражатель
радиотелескоп
Зенит телескоп  Отредактируйте это в Викиданных
Количество телескопов4 Отредактируйте это в Викиданных
ДиаметрОтредактируйте это в Викиданных
Длина100 м (328 футов 1 дюйм) Отредактируйте это в Викиданных
Ширина20 м (65 футов 7 дюймов) Отредактируйте это в Викиданных
Место сбора8000 м2 (86000 кв. Футов) Отредактируйте это в Викиданных
Интернет сайтперезвон-эксперимент.ca Отредактируйте это в Викиданных
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода находится в Канаде.
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода
Место проведения канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода
Страница общин Связанные СМИ на Викискладе?
[редактировать в Викиданных ]

В Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (Гудок) является интерферометрический радиотелескоп на Радиоастрофизическая обсерватория Доминион в британская Колумбия, Канада который состоит из четырех антенны состоящий из 100 х 20 метр цилиндрический параболические отражатели (примерно размер и форма сноуборда хаф-трубы ) с 1024 радиоприемниками с двойной поляризацией, подвешенными на опоре над ними. Антенна принимает радиоволны от водород в космосе на частоты в 400–800 МГц классифицировать. Телескопа малошумящие усилители построены с использованием компонентов, адаптированных для индустрии мобильных телефонов, и его данные обрабатываются с использованием специально созданного FPGA электронная система и 1000-процессорный высокопроизводительный ГПГПУ кластер.[1] Телескоп не имеет движущихся частей и каждый день наблюдает за половиной неба, пока Земля вращается. Он также оказался превосходным инструментом для наблюдения недавно открытого феномена быстрые радиовсплески (FRB).

CHIME - это партнерство между Университет Британской Колумбии, Университет Макгилла, то Университет Торонто и канадский Национальный исследовательский совет с Радиоастрофизическая обсерватория Доминион. А первый свет Церемония открытия этапа ввода в эксплуатацию состоялась 7 сентября 2017 года.

Научные цели

Космология

Одна из самых больших загадок современной космологии - почему расширение Вселенной ускоряется.[2] Около семидесяти процентов Вселенной сегодня состоит из так называемых темная энергия который противодействует силе притяжения гравитации и вызывает это ускорение. О том, что такое темная энергия, известно очень мало. CHIME находится в процессе проведения точных измерений ускорения Вселенной, чтобы лучше понять, как ведет себя темная энергия. Эксперимент предназначен для наблюдения за периодом в истории Вселенной, в течение которого стандартный ΛCDM Модель предсказывает, что темная энергия стала преобладать в плотности энергии Вселенной, и когда замедленное расширение перешло в ускорение.

CHIME будет проводить другие наблюдения в дополнение к своей основной, космологической цели. Ежедневный обзор неба CHIME позволит нам изучить Млечный Путь галактики в радиочастотах, и ожидается, что это улучшит понимание галактические магнитные поля.[3]

CHIME также поможет другим экспериментам по калибровке измерений радиоволн от быстро вращающихся нейтронные звезды, которые исследователи надеются использовать для обнаружения гравитационные волны.[1]

Радио переходные процессы

ГОНКА используется для обнаружения и мониторинга пульсары и другие радиопереходные процессы; для этих научных целей был разработан специальный инструмент. Телескоп круглосуточно отслеживает одновременно 10 пульсаров, чтобы следить за изменениями в их хронометражах, которые могут указывать на проход гравитационная волна.[4] CHIME способен обнаруживать загадочные внегалактические быстрые радиовсплески (FRB), которые длятся всего миллисекунды и не имеют хорошо установленного астрофизического объяснения.[1]

Метод

Прибор представляет собой гибридный полуцилиндрический интерферометр, предназначенный для измерения крупномасштабного спектра мощности нейтрального водорода через красное смещение диапазон от 0,8 до 2,5. Спектр мощности будет использоваться для измерения барионное акустическое колебание (BAO) шкала в этом диапазоне красных смещений, где темная энергия становится важным фактором эволюции Вселенной.[3]

CHIME чувствителен к Радиоволны 21 см испускается облаками нейтрального водорода в далеких галактиках и чувствителен к волнам со смещением в красную область. Измеряя распределение водорода во Вселенной - метод, известный как отображение интенсивности —CHIME создаст 3D-карту крупномасштабная структура Вселенной между красные смещения 0,8–2,5, когда Вселенной было от 2,5 до 7 миллиардов лет. Таким образом, CHIME нанесет на карту более 3% от общего наблюдаемого объема Вселенной, что значительно больше, чем было достигнуто крупномасштабными исследованиями структуры на сегодняшний день, в эпоху, когда Вселенная практически не наблюдается.[3]Карты крупномасштабной структуры могут быть использованы для измерения истории расширения Вселенной, потому что звуковые волны в ранней Вселенной или барионные акустические колебания (BAO), оставили небольшие перегрузки в распределении материи на масштабах около 500 миллионов световых лет. Этот характерный масштаб BAO был хорошо измерен такими экспериментами, как Планк и поэтому может использоваться как «стандартная линейка» для определения размера Вселенной как функции времени, тем самым указывая скорость расширения.[5]

На сегодняшний день измерения BAO проводились путем наблюдения за распределением галактик на небе. Пока будущие эксперименты, вроде Обзор темной энергии, Евклид и Спектроскопический прибор темной энергии (DESI), продолжит использовать эту технику, CHIME является пионером в использовании радиоизлучения водорода, а не звездного света, в качестве индикатора структуры для обнаружения BAO. Хотя CHIME нельзя использовать для той же вспомогательной науки, в которой превосходны обзоры галактик, для измерения BAO CHIME представляет собой очень экономичную альтернативу, поскольку нет необходимости наблюдать отдельные галактики.

Технологии

Выбор использовать несколько удлиненных отражателей вместо множества круглых тарелок необычен, но не является оригинальным для CHIME: другие примеры полуцилиндрических телескопов - это Телескоп синтеза обсерватории Молонгло в Австралии и Радиотелескоп Северного Креста в Италии. Эта конструкция была выбрана для CHIME как рентабельный способ размещения плотно упакованных 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 того, чтобы CHIME имел хороший отклик в диапазоне от 400 до 800 МГц при двух линейных поляризациях. В Тефлон -основан печатная плата антенны в форме клевер лепестки[требуется разъяснение ] расположены вдоль фокальной линии каждого из проволочная сетка полутрубные отражатели. Есть балуны которые сочетают дифференциальные сигналы из двух соседних лепестков клеверного листа в один несимметричный сигнал. В каждой антенне четыре лепестка, обеспечивающих два аналоговых выхода. Имея 256 антенн на рефлектор и всего четыре рефлектора, телескоп имеет 2048 аналоговых выходов для обработки.[6] Сигнал от антенн усиливается в два этапа с использованием технологий, разработанных в индустрии мобильных телефонов. Это позволяет CHIME поддерживать аналоговую цепь с относительно низким уровнем шума, оставаясь при этом доступным.[7] Каждый радиочастотный выход от антенн усиливается малошумящий усилитель который совмещен. Выходы от усилителей проходят через коаксиальные кабели длиной 60 метров (200 футов) к процессорам внутри экранированных контейнеров, называемых F-двигателями.[6]

ГОНГ работает как коррелятор, что означает, что входы от 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 специально разработанных программируемые вентильные матрицы (FPGA) печатные платы[8] и графические процессоры (GPU). Pathfinder имеет полностью функциональный коррелятор, сделанный из этих устройств, и продемонстрировал, что технология графического процессора потребительского уровня обеспечивает достаточную вычислительную мощность для CHIME за небольшую часть стоимости других радиокорреляторов.[3][9][10][11] Между двумя соседними отражателями расположены два контейнера F-двигателя. Внутри контейнеров F-двигателя аналоговые сигналы полосовой фильтр и усилен, затем оцифрован 8-битным аналого-цифровые преобразователи при рабочей частоте дискретизации 800 миллионов отсчетов в секунду. Результатом стал цифровой телескоп. скорость передачи данных 13,11 терабит в секунду. Цифровые данные обрабатываются F-двигателями на базе FPGA для организации в частотные ячейки. Затем данные отправляются 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. Преимущество использования графических процессоров в конструкции X-engine заключается в простоте программирования. Однако это связано с более высоким потреблением энергии по сравнению с решением FPGA. Телескоп потребляет 250 киловатт энергии.[6]

  • Составные части

  • Один из четырех полупроводниковых отражателей 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

Телескоп CHIME Pathfinder, прототип полного телескопа CHIME.

В 2013 году также на ДРАО был построен телескоп CHIME Pathfinder.[12] Это уменьшенная версия полного инструмента, состоящая из двух, 36 x 20 метр полуцилиндры, заполненные 128 антеннами с двойной поляризацией, которые в настоящее время используются в качестве испытательного стенда для технологии CHIME и методов наблюдений. Кроме того, Pathfinder также сможет выполнить начальное измерение барионные акустические колебания (BAO) с техникой картирования интенсивности и сам по себе станет полезным телескопом.

Строительство эксперимента CHIME в июле 2015 г.

Строительство CHIME началось в 2015 году на Радиоастрофизическая обсерватория Доминион (ДРАО) рядом Пентиктон, британская Колумбия, Канада. В ноябре 2015 года сообщалось, что CHIME «почти готов к работе», что потребовало установки приемников,[13] и построение суперкомпьютера.[14] В марте 2016 года был размещен контракт на обработку чипов.[15]

Строительство CHIME завершилось в августе 2017 года. A первый свет церемония с федеральными Министр науки Кирсти Дункан 7 сентября 2017 года состоялось открытие этапа ввода в эксплуатацию.[16][17][18] Научные работы начались в конце сентября 2018 г.[19] и начал обнаруживать несколько событий в течение первой недели.[20]

Одним из первых открытий проекта CHIME / Fast Radio Burst Project (CHIME / FRB) был второй наблюдаемый повторяющийся FRB, FRB 180814.[21] CHIME / FRB также обнаружил первый FRB, который повторяется через определенные промежутки времени: 180916.J0158 + 65 имеет периодичность 16,35 дня. Находящийся на расстоянии всего 500 миллионов световых лет, это также самый близкий из когда-либо обнаруженных FRB.[22]

ГОНГ настолько чувствителен, что в конечном итоге ожидается обнаружение десятков FRB в день.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Кастельвекки, Давиде (2015). "'Телескоп Half-pipe будет исследовать темную энергию в подростковой Вселенной ". Природа. 523 (7562): 514–515. Bibcode:2015Натура.523..514C. Дои:10.1038 / 523514a. PMID  26223607.
  2. ^ Андреас Альбрехт; и другие. (2006). «Отчет Целевой группы по темной энергии». arXiv:Astro-ph / 0609591.
  3. ^ а б c d Кевин Бандура; и другие. (2014). "Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) Pathfinder". Труды SPIE. 9145. arXiv:1406.2288. Дои:10.1117/12.2054950.
  4. ^ Клери, Дэниел (15 марта 2019 г.). «Мигает в скане». Наука. 363 (6432): 1139. Bibcode:2019Научный ... 363.1138C. Дои:10.1126 / science.363.6432.1138. PMID  30872502.
  5. ^ Со, Хи-Чжон; Эйзенштейн, Дэниел Дж. (2003). «Исследование темной энергии с помощью барионных акустических колебаний из будущих исследований красного смещения больших галактик». Астрофизический журнал. 598 (2): 720–740. arXiv:Astro-ph / 0307460. Bibcode:2003ApJ ... 598..720S. Дои:10.1086/379122.
  6. ^ а б c Лейбсон, Стивен (24 января 2019 г.). «Повторяющиеся быстрые радиопередачи звонят в канадский гудок: ПЛИС, графические процессоры и процессоры просеивают электромагнитный спектр Вселенной, чтобы сделать открытие». Электронный инженерный журнал. Получено 12 августа 2019.
  7. ^ Лаура Ньюбург; и другие. (2014). «Калибровка CHIME, нового радиоинтерферометра для исследования темной энергии». Труды SPIE. 9145. arXiv:1406.2267. Дои:10.1117/12.2056962.
  8. ^ Бандура, Кевин; и другие. (2016). «ICE: масштабируемая недорогая система обработки сигналов телескопа на базе FPGA и сетевая система». J. Astron. Inst. 5 (4): 1641005. arXiv:1608.06262. Bibcode:2016JAI ..... 541005B. Дои:10.1142 / S2251171716410051.
  9. ^ Рекник, Андре; и другие. (2015). Эффективный конвейер данных в реальном времени для радиотелескопа CHIME Pathfinder X-Engine. 26-я Международная конференция IEEE по системам, архитектурам и процессорам для конкретных приложений. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. С. 57–61. arXiv:1503.06189. Bibcode:2015arXiv150306189R. ISBN  978-1-4799-1924-6.
  10. ^ Клагес, Питер; и другие. (2015). Ядра GPU для высокоскоростной 4-битной обработки астрофизических данных. 26-я Международная конференция IEEE по системам, архитектурам и процессорам для конкретных приложений. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. С. 164–165. arXiv:1503.06203. Bibcode:2015arXiv150306203K. ISBN  978-1-4799-1924-6.
  11. ^ Денман, Нолан; и другие. (2015). X-движок коррелятора на базе графического процессора, реализованный на CHIME Pathfinder. 26-я Международная конференция IEEE по системам, архитектурам и процессорам для конкретных приложений. CFP15063-USB. Торонто, Онтарио, Канада. С. 35–40. arXiv:1503.06202. Bibcode:2015arXiv150306202D. ISBN  978-1-4799-1924-6.
  12. ^ Семенюк, Иван (27.01.2013). «Канадские ученые пытаются пролить свет на темную энергию». Глобус и почта. Торонто. Получено 2015-07-29.
  13. ^ Арстад, Стив (13 ноября 2015 г.). «Пентиктон принимает у себя международную астрофизическую конференцию». Инфоновости. Получено 2016-03-08.
  14. ^ Гудок, Институт Данлэпа. Дата обращения: 7 марта 2016.
  15. ^ Канадский телескоп CHIME использует AMD для создания суперпользователя на базе графического процессора. Апрель 2016 г.
  16. ^ Прислушиваясь к вселенной, чтобы перезвонить, Иван Семенюк, Глобус и почта, 2017-09-07
  17. ^ Канадская изобретательность создала революционную технологию для телескопа CHIME, SpaceDaily, 2017-09-11
  18. ^ Мюррей, Стив (22 марта 2018 г.). «ЧИМ начинает свои космические поиски». Журнал Astronomy. Получено 2018-03-24.
  19. ^ Проект CHIME Fast Radio Burst: Обзор системы. М. Амири, К. Бандура, П. Бергер, М. Бхардвадж, М. М. Бойс. Астрофизический журнал. 9 августа 2018.
  20. ^ а б радиотелескоп регистрирует загадочные низкочастотные всплески извне нашей галактики. Ребекка Джозеф, Глобальные новости. 3 августа 2018.
  21. ^ Сотрудничество CHIME / FRB (9 января 2019 г.). «Второй источник повторяющихся быстрых радиовсплесков». Природа. 566 (7743): 235–238. arXiv:1901.04525. Bibcode:2019Натура.566..235C. Дои:10.1038 / с41586-018-0864-х. PMID  30653190.
  22. ^ Феррейра, Бекки (7 февраля 2020 г.). «Что-то в глубоком космосе посылает сигналы на Землю в устойчивых 16-дневных циклах». Получено 10 февраля 2020.
  23. ^ К. Вандерлинде; К. Бандура; Л. Белостоцкий; Р. Бонд; П. Бойл; Дж. Браун; Х. К. Чан; М. Доббс; Б. Генслер; Г. Хиншоу; В. Каспи; Т. Ландекер; А. Лю; К. Масуи; Дж. Мена-Парра; C. Ng; У. Пен; М. Рупен; Дж. Сиверс; К. Смит; К. Спеккенс; I. Лестница; Н. Турок; и другие. (Сотрудничество CHORD) (5 ноя 2019). «Технический документ LRP 2020: Канадская водородная обсерватория и детектор переходных процессов (CHORD)». arXiv:1911.01777 [Astro-ph.IM ].

внешняя ссылка