聆听天籁---暗能量射电探测关键技术项目完成初步实验

天籁计划是通过射电干涉阵列对中低红移的中性氢进行巡天观测，使用强度映射（Intensity Mapping）方法，研究宇宙暗能量的实验项目。自2014年冬季开建以来，天籁研究团队克服重重困难，顺利完成了系统的搭建与调试工作，并于2016年进入试观测阶段，现已取得数百TB观测数据。近日，天籁研究团队总结了所开展的各项实验结果，利用所取得的观测数据对天籁观测系统的整体性能进行了初步分析，相关研究成果发表于Science China Physics, Mechanics & Astronomy第63卷第12期Editor’s Focus栏目[1]，同期发表了期刊常务副主编景益鹏院士和上海天文台叶叔华院士的点评文章[2,3]

当前的宇宙学研究表明，暗能量占据了宇宙总成分的68%，是一类具有排斥效应的奇特物质，造成了今天宇宙的加速膨胀。2011年的诺贝尔物理学奖就授予了发现这一事实的三位科学家。作为宇宙物质的主要成分，暗能量对宇宙的演化发挥着主导作用。那么，如何探测暗能量、精确测量其性质呢？这主要是基于对宇宙不同时期膨胀速度的探测，目前大部分观测数据来自光学观测。另一种可能是利用射电望远镜探测宇宙中广泛存在的中性氢，由此获得宇宙的大尺度结构，进而对暗能量模型进行检验。传统的射电干涉阵列往往专注于高分辨率和高灵敏度，适合单星系、单天体的观测，但在巡天速度上较慢。而利用中性氢强度映射方法则可以以牺牲角分辨率为代价，在不分辨单个星系的情况下，依靠大视场优势，快速得到中性氢的三维分布情况。其中，不同的观测频率对应于不同的红移，从而允许我们追踪宇宙的各个演化阶段。中性氢的大尺度巡天观测可以用于研究再电离，检验宇宙暴胀模型，限制暗能量状态方程参数，以及精确测量重子声波振荡和功率谱等。近些年，国内外已经建成或正在建设多个中性氢巡天实验，我国的天籁实验也是其中之一。

国家天文台红柳峡观测站的天籁射电干涉阵列位于新疆自治区哈密市巴里坤哈萨克自治县大红柳峡乡，地处戈壁边沿，位置偏僻、人口稀少，有着优越的电磁环境，十分有利于开展射电天文观测。当前，天籁实验处于探路者阶段，共建成了两种构型的射电干涉阵列，一种是碟形天线，一种是柱形天线。最新发表的论文是针对柱形阵列的分析结果，关于碟形阵列的分析结果也将很快完成。所做互相关计算为192路极化信号的全相关，共计近两万个互相关对，使得天籁阵列成为目前国内干涉规模最大的阵列。

天籁射电干涉阵列（左：碟形阵列；右：柱形阵列）

目前，天籁团队已对柱形阵列的实验和观测数据完成了初步分析，形成一些重要的分析结论。团队通过观测数据分析了天籁阵列所在的红柳峡观测站的电磁环境，表明红柳峡观测站的电磁环境十分优越；对天线的波束进行了模拟仿真，得到了天线的方向性，并利用天鹅座A射电源的观测数据分析了指向误差，显示符合预期的指向精度；测量了所有前端放大器的噪声系数，显示出较好的一致性，其室温下的噪声温度低于50 K；放大器、下变频器、模数转换器以及整个链路均显示出良好的线性度；研究了利用天文强射电源和人工噪声源进行定标校准的方法；使用三种不同方法计算了系统温度，各方法的结果互相一致，平均值为89 K。

已完成的分析结果首次比较全面地总结了天籁观测系统各方面的工作状态，分析了观测链路各设备的性能，为下一步开展更深入的研究打下了良好的基础。同时，作为典型的中性氢强度映射巡天实验，也可为其他类似的实验项目，以及未来的平方千米阵列SKA项目，提供有价值的参考。

天籁计划得到了科技部863项目、中科院修购项目、基础前沿项目、基金委重点项目等资金的支持。天籁整套观测设备由国家天文台天籁项目组主导设计、运行和维护，国内众多科研单位和公司参与研制，包括中国电子科技集团第54研究所、中国科学院自动化所、杭州电子科技大学、航天科工23所、烽火通信科技公司等。此外，天籁国际合作团队还包括来自美国、法国、南非等多个国家的研究人员。目前，天籁计划已经形成一个紧密的国内、国际合作科研团队。

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[1] Li JiXia, et al. The Tianlai Cylinder Pathfinder array: System functions and basic performance analysis. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(12): 129862 (2020)

[2] Jing YiPeng. A fundamental step towards the cosmological 21 cm signal. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(12): 129861 (2020)

[3] Ye ShuHua. Exploring the radio skyin a new era. Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63(12): 129863 (2020)

作者简介：

陈学雷

中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位特聘教授。从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究，主持暗能量射电探测实验（“天籁计划”）、超长波天文观测阵列背景型号（“鸿蒙计划”）研究等，已发表研究论文一百五十余篇。

李吉夏

中国科学院国家天文台博士，主要研究方向为中性氢巡天阵列的性能分析，射电观测数据处理等。