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 CHIME望遠鏡 | |
| の一部 | ドミニオン電波天体物理観測所 |
|---|---|
| 場所 | オカナガンフォールズ、オカナガン・シミルカミーン地域区、ブリティッシュコロンビア州、カナダ |
| 座標 | 北緯49°19′15″ 西経119°37′25″ / 北緯49.3208° 西経119.6236° / 49.3208; -119.6236 |
| 組織 | ドミニオン電波天体物理観測所 マギル大学 ブリティッシュコロンビア 大学 トロント大学 |
| 高度 | 545メートル（1,788フィート） |
| 波長 | 37 cm (810 MHz)～75 cm (400 MHz) |
| 構築済み | 2015年～2017年8月 |
| 初光 | 2017年9月7日 |
| 望遠鏡スタイル | 電波望遠鏡 天頂望遠鏡 |
| 望遠鏡の数 | 4 |
| 直径 | |
| 長さ | 100 メートル (328 フィート 1 インチ) |
| 幅 | 20 メートル (65 フィート 7 インチ) |
| 収集エリア | 8,000 m 2 (86,000 平方フィート) |
| Webサイト | チャイム実験 |
  カナダの水素強度マッピング実験の場所 | |
 コモンズの関連メディア | |
カナダ水素強度マッピング実験（CHIME）は、カナダのブリティッシュコロンビア州にあるドミニオン電波天体物理観測所の干渉 電波望遠鏡で、 100 x 20メートルの円筒形パラボラ反射鏡（スノーボードのハーフパイプとほぼ同じサイズと形状）と、その上の支柱に吊り下げられた1024個の二重偏波無線受信機で構成される4つのアンテナで構成されています。アンテナは、 400〜800MHzの範囲の周波数で宇宙の水素からの電波を受信します。望遠鏡の低ノイズ増幅器は、携帯電話業界から改造した部品で構築されており、そのデータはカスタムビルドのFPGA電子システムと1000プロセッサの高性能GPGPUクラスターを使用して処理されます。[1]望遠鏡には可動部分がなく、地球が自転するにつれて毎日空の半分を観測します。
また、高速電波バースト（FRB） を観測するための優れた装置であることも判明しました。
CHIMEは、ブリティッシュコロンビア大学、マギル大学、トロント大学、カナダ国立研究会議のドミニオン電波天体物理観測所のパートナーシップです。 2017年9月7日に初点灯式が開催され、運用開始フェーズが開始されました。
科学の目標
宇宙論
現代宇宙論における最大の謎の一つは、なぜ宇宙の膨張が加速しているのかということです。[2]現在、宇宙の約70%は、重力の引力に対抗して加速を引き起こす、いわゆるダークエネルギーで構成されています。ダークエネルギーが何であるかはほとんどわかっていません。CHIMEは、ダークエネルギーの挙動に関する知識を向上させるために、宇宙の加速の正確な測定を行っています。この実験は、標準的なΛCDMモデルがダークエネルギーが宇宙のエネルギー密度を支配し始めたと予測し、減速した膨張が加速に移行した宇宙の歴史の期間を観察するように設計されています。
CHIMEは、主な宇宙論的目的に加えて、他の観測も行う。CHIMEの毎日の天空の調査により、電波周波数で私たちの天の川銀河の研究が可能になり、銀河の磁場の理解が深まると期待されている。[3]
CHIMEは、高速で回転する中性子星からの電波の測定値を較正する他の実験にも役立ち、研究者はこれを重力波の検出に利用したいと考えています。[1]
無線トランジェント
CHIMEはパルサーやその他の電波過渡現象の発見と監視に使用されており、これらの科学的目的のために特別な機器が開発されました。この望遠鏡は、重力波の通過を示す可能性のある時間計測の変化を監視するために、24時間体制で一度に10個のパルサーを監視します。[4] CHIMEは、わずか数ミリ秒しか続かず、十分に確立された天体物理学的説明がない謎の銀河系外高速電波バースト（FRB）を検出できます。 [1]
方法
この装置は、赤方偏移0.8から2.5の範囲にわたる大規模な中性水素パワースペクトルを測定するために設計されたハイブリッド半円筒型干渉計です。このパワースペクトルは、暗黒エネルギーが宇宙の進化に大きく貢献するこの赤方偏移範囲にわたる重粒子音響振動（BAO）スケールを測定するために使用されます。[3]
CHIME は、遠方の銀河にある中性水素の雲から放射される21 cm の電波に敏感で、赤方偏移した波にも敏感です。宇宙の水素の分布を測定することにより (強度マッピングと呼ばれる手法)、CHIME は、宇宙の年齢が約 25 億年から 70 億年であったときの赤方偏移0.8 から 2.5 の間の宇宙の大規模構造の 3D マップを作成します。したがって、CHIME は、宇宙の観測可能な全体積の 3% 以上をマッピングすることになりますが、これは、宇宙がほとんど観測されていない時代に、これまでの大規模構造調査で達成された量よりも大幅に多い量です。[3] 大規模構造のマップを使用して、宇宙の膨張の歴史を測定できます。これは、初期宇宙の音波、つまり重粒子音響振動(BAO) が、約 5 億光年のスケールで物質の分布にわずかな過密度を残しているためです。この特徴的なBAOスケールはプランクのような実験によって十分に測定されており、したがって時間の関数として宇宙の大きさを決定するための「標準的な定規」として使用でき、それによって膨張率を示すことができます。[5]
これまでの BAO 測定は、天空の銀河の分布を観測することによって行われてきました。ダーク エネルギー サーベイ、ユークリッド、ダーク エネルギー分光装置(DESI) などの将来の実験では、この技術が引き続き使用されますが、CHIME は、BAO を検出するための構造のトレーサーとして星の光ではなく水素の電波放射を使用する先駆者です。CHIME は、銀河サーベイが得意とする補助科学には使用できませんが、BAO 測定の場合、個々の銀河を観測する必要がないため、CHIME は非常にコスト効率の高い代替手段となります。
テクノロジー
多数の円形皿の代わりに少数の細長い反射鏡を使用するという選択は珍しいものですが、CHIME 独自のものではありません。半円筒形の望遠鏡の他の例としては、オーストラリアのモロンゴ天文台合成望遠鏡やイタリアのノーザンクロス電波望遠鏡があります。この設計は、望遠鏡が幅広い角度スケールで空を観測できるように、密集した電波アンテナを配置するコスト効率の高い方法として CHIME に選択されました。複数の平行な半円筒を使用することで、望遠鏡の両軸に沿って同等の解像度が得られます。
アンテナは、2つの直線偏波で400〜800MHzの範囲で良好な応答を示すようにCHIME用にカスタム設計されています。クローバーの花びら[説明が必要]の形をしたテフロンベースのプリント基板アンテナは、各金網ハーフパイプ反射鏡の焦点線に沿って配置されています。2つの隣接するクローバーの花びらからの差動信号を1つのシングルエンド信号に結合するバランがあります。各アンテナには4つの花びらがあり、2つのアナログ出力を提供します。反射鏡あたり256のアンテナと合計4つの反射鏡があるため、望遠鏡には処理される合計2,048のアナログ出力があります。[6]アンテナからの信号は、携帯電話業界で開発された技術を利用する2段階で増幅されます。これにより、CHIMEはアナログチェーンを比較的低ノイズに保ちながら、手頃な価格にすることができます。[7]アンテナからの各無線周波数出力は、同じ場所に配置された低ノイズ増幅器によって増幅されます。増幅器からの出力は、長さ60メートル（200フィート）の同軸ケーブルを通って、Fエンジンと呼ばれるシールドコンテナ内のプロセッサに送られます。[6]
CHIME は相関器として動作します。つまり、すべてのアンテナからの入力が結合され、システム全体が 1 つのシステムとして動作します。これにはかなりの計算能力が必要です。アナログ信号は 800 MHz でデジタル化され、カスタムビルドのフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA) 回路基板 [8]とグラフィックス処理ユニット(GPU) の組み合わせを使用して処理されます。Pathfinder にはこれらのユニットで作られた完全に機能する相関器があり、消費者向け GPU 技術が他の無線相関器の数分の 1 の価格で CHIME に十分な処理能力を提供できることを実証しました。[3] [9] [10] [11]隣接する 2 つのリフレクタの間には 2 つの F エンジンコンテナがあります。F エンジンコンテナ内では、アナログ信号がバンドパスフィルタリングおよび増幅され、8 ビットのアナログ/デジタルコンバータによって動作サンプリングレート 8 億サンプル/秒でデジタル化されます。その結果、望遠鏡のデジタルデータレートは 13.11 テラビット/秒になりました。デジタルデータは、FPGA ベースの F エンジンによって処理され、周波数ビンに整理されます。その後、データは光ケーブルを介して望遠鏡の隣にある X エンジン コンテナに送信されます。GPU を備えた 256 の処理ノードを持つ X エンジンは、F エンジン データの相関と平均化を実行します。X エンジン設計で GPU を使用する利点は、プログラミングが簡単なことです。ただし、FPGA ソリューションと比較すると、消費電力が高くなるというコストが伴います。望遠鏡は 250 キロワットの電力を消費します。[6]
- コンポーネント
-
4つの金網ハーフパイプ反射鏡のうちの1つ -
焦点線上のクローバーリーフ型アンテナ -
隣接する2つの反射鏡の間にあるFエンジン -
CHIME望遠鏡の隣にあるXエンジン
歴史
2013年には、CHIMEパスファインダー望遠鏡もDRAOに建設されました。[13]これは完全な機器の小型版で、128個の二重偏波アンテナを備えた2つの36 x 20メートルの半円筒で構成され、現在はCHIME技術と観測技術のテストベッドとして使用されています。さらに、パスファインダーは強度マッピング技術を使用して重粒子音響振動（BAO）の初期測定を行うことも可能で、それ自体が有用な望遠鏡になります。
工事
CHIMEの建設は、カナダのブリティッシュコロンビア州ペンティクトン近郊のドミニオン電波天体物理観測所（DRAO）で2015年に始まりました。2015年11月、CHIMEは「ほぼ運用可能」であると報告され、受信機の設置と[14]スーパーコンピューターの構築が必要になりました。[15] 2016年3月に処理チップの契約が締結されました。[16]
CHIMEの建設は2017年8月に終了した。連邦科学大臣カースティ・ダンカン氏による初点灯式が2017年9月7日に開催され、試運転段階が開始された。[17] [18] [19]
科学活動
科学観測は2018年9月下旬に開始され、[20]最初の1週間以内にいくつかの現象を検出し始めました。[21]
CHIME/高速電波バーストプロジェクト（CHIME/FRB）の初期の発見の1つは、観測された2番目の繰り返しFRBであるFRB 180814でした。[22] CHIME/FRBは、一定の間隔で繰り返す最初のFRBも発見しました。180916.J0158 +65は16.35日の周期を持っています。距離はわずか5億光年で、これまでに発見されたFRBの中で最も近いものでもあります。[23]
CHIMEは非常に感度が高く、最終的には1日あたり数十個のFRBを検出できると予想されていました。[21] CHIME/FRBカタログ1は、2018年7月から2019年7月までの1年間に536個のFRBを報告しました。
重要なマイルストーンとなったのは、2020年4月28日のFRB 200428の検出である。これは電波以外の放射が検出された最初のFRBであり、天の川銀河で発見された最初のFRBであり、マグネターと関連付けられた最初のFRBであった。[24]
2022年には、FRBの発生源を特定するためのアウトリガーサイト3か所の建設に資金が投入されることが決定された。[25]
参照
ウィキメディア・コモンズには、カナダの水素強度マッピング実験に関連するメディアがあります。
- 電波望遠鏡の一覧
- 水素強度およびリアルタイム分析実験（HIRAX）、CHIMEと同じ周波数帯で南アフリカに提案されている電波望遠鏡アレイ
- カナダ水素観測所および電波過渡検出器（CHORD）、CHIMEの後継として提案されている広帯域（300〜1800MHz）のシステム[26]
参考文献
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- ^ カナダのCHIME望遠鏡がGPUベースのスーパーコンピュータにAMDを採用。2016年4月
- ^ 宇宙の声を聴く、イヴァン・セメニウク、グローブ・アンド・メール、2017年9月7日
- ^ カナダの創意工夫がCHIME望遠鏡の画期的な技術を開発、SpaceDaily、2017-09-11
- ^ マレー、スティーブ（2018年3月22日）。「CHIMEが宇宙探査を開始」。アストロノミーマガジン。 2018年3月24日閲覧。
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外部リンク
- CHIME公式サイト
- トロント大学CHIMEページ
- CHIME: ステータスアップデート。2013 ビームフォーミングの図を含む 44 枚のスライド