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°43′16″ 東経21°24′40″ / 南緯30.7211° 東経21.4111° / -30.7211; 21.4111
組織	クワズール・ナタール大学
波長	37 cm (810 MHz)～75 cm (400 MHz)
構築済み	2019–2022 （2019～2022年）
望遠鏡スタイル	放物面反射 電波望遠鏡
望遠鏡の数	1,024
収集エリア	28,000 m 2 (300,000平方フィート)
水素強度の位置とリアルタイム分析実験
[Wikidataで編集]

水素強度およびリアルタイム解析実験（HIRAX）は 、南アフリカのカルー地域のスクエアキロメートルアレイサイトに配備される、 400〜800MHzで動作する直径6メートル（20フィート）の電波望遠鏡1024台の干渉計アレイです。このアレイは、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限するために、大きな角度スケールで赤方偏移した21cmの水素線放射を測定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。南アフリカ国立研究財団とパートナー機関から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命名され、また、隣接するmeerKAT電波望遠鏡とその名にちなんだ動物にちなんで命名されました。

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す。^[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ましたが、 ^{[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ました。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ました。 ^{[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すが、現在宇宙のエネルギー密度の約70%を占めているという事実以外はほとんどわかっていません。暗黒物質は、宇宙内の構造の成長にも重要な役割を果たしています。重粒子は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% を占めることが分かっていますが、その正確な性質はわかっていません。宇宙のエネルギー密度の残りの 5% は、私たちが見ることができる重粒子物質、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ように設計されています。これは、遠方の銀河団と銀河団内媒質からの高温の拡散中性水素によって生成される21cmのライン放射を観察することによって達成されます。^{[1]この中性水素は宇宙の}大規模構造をトレースするため、宇宙の大規模なバリオン音響振動（BAO）構造をマッピングするために使用できます。BAOは固定された共動サイズであるため、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します。たとえば、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ります。

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宇宙論モデルが暗黒エネルギーが宇宙のダイナミクスに影響を及ぼし始め、減速膨張から加速膨張への移行を引き起こしていると予測する期間を含みます。 ${\displaystyle 0.8<z<2.5}$

HIRAXアレイは、BAOをマッピングするために南天のほとんどを調査し、その広い視野と広い調査エリアにより、電波過渡現象を検出するための非常に強力なツールにもなります。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す。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）電波バーストです。2021年時点で約612個しか検出されていませんが、HIRAXアレイは1日あたり数十個のFRBを検出すると予想しています。^[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ます。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ます。重力波はパルスが通過する空間のサイズを歪め、地球への到達時間を歪めるためです。

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、機器の体系が異なります。カナダ水素観測所および電波過渡現象検出器（CHORD）は、すぐに建設を開始することが提案されている次世代の電波望遠鏡です。CHORDは、CHIMEの成功と協力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には、CHIMEの最高のイノベーションと新しいカナダの技術が組み込まれます。CHIMEの設計から派生し、400〜800MHzで動作する小さなシリンダーが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局在を提供します。これらに加えて、各サイトには 6 メートルの複合アンテナの集束アレイが設置され、300～1500 MHz の 5:1 無線帯域をカバーする新しい超広帯域 (UWB) フィードが装備されます。

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1,024 個で構成されます。パラボラ反射鏡は操作されず、位置が固定され、地球の自転に合わせて空をスキャンします。数か月ごとに、パラボラ反射鏡の仰角を手動で調整し直し、空の新しい部分を調査します。

アンテナは極めて深く、f 値は 0.23 で、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からフィードを遮蔽します。アンテナは、望遠鏡の 400～800 MHz 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に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、低ノイズ アンプ(LNA) のペアによって増幅され、光ファイバー リンクによって集中計算構造 (「バックエンド」) に送信されます。^[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て他のすべてのアンテナからの信号と相関され、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、このような大規模な干渉アレイがこれまでフィールド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、計算の難しさが から に低下します（nはアレイ内の要素数）。^[1]${\displaystyle O(n^{2})}$${\displaystyle O(n\log n)}$

HIRAX 共同研究チームは、2017 年にハートビーストフック電波天文台(HartRAO)に 8 要素のプロトタイプ 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) のカルー地区での完全なアレイの建設に先立つハードウェアおよびソフトウェア開発のテスト ベッドとして使用されています。128 要素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、次の 3 年間で 1024 要素の完全なアレイに拡張されます。^{[1] [11]} HartRAO の 8 要素アレイは、南アフリカ全土にある他のいくつかのアレイとともに、「アウトリガー」アレイとして完全なアレイに組み込まれます。これらのアウトリガーにより、HIRAX アレイの角度分解能が大幅に向上し、FRB 検出の位置を 1 秒未満の精度で特定できるようになります。^[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]}

• 重粒子音響振動
• 高速電波バースト
• 強度マッピング
• 電波望遠鏡の一覧

• HIRAX公式サイト