20260.宇宙再電離探測實驗中前景去除和儀器效應(yīng)研究

1、密級：中國科學(xué)院大學(xué)UniversityofChineseAcademyofSciences博士學(xué)位論文2013年3月摘要宇宙黑暗時期和再電離時期是目前可觀測宇宙中唯一尚未被探知的領(lǐng)域，必將成為繼研究宇宙微波背景輻射鼎盛之后觀測宇宙學(xué)的又一黃金研究領(lǐng)域，而探測宇宙黑暗時期和再電離時期的最有效手段是中性氫的21cm輻射，它可以縱深可觀測宇宙的各個歷史時期，直接勾畫出宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維立體圖畫和演化進程。然而，來自宇宙黑暗時期和再電離時期的

2、中性氫輻射僅有10mK的量級并被淹沒在了強大的宇宙前景和儀器系統(tǒng)噪聲中，給實際天文觀測帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)。目前，基于低頻射電干涉技術(shù)的諸多綜合孑L徑望遠鏡陣列相繼投入觀測和即將建成，如何成功剔除前景的巨大污染和消除儀器的系統(tǒng)噪聲，從而成功提取宇宙背景信號成了目前21cm宇宙學(xué)的熱門研究課題。雖然近年間一些非參數(shù)的前景去除技術(shù)逐步得到發(fā)展并趨于成熟，但主流的低頻射電前景去除技術(shù)強烈地依賴前景的頻譜特性，即由同步輻射主導(dǎo)的低頻射電前景在

3、頻率空間是無結(jié)構(gòu)的和平滑的，所以可以通過移去一個或多個平滑成分的方式予以扣除，而宇宙再電離的信號則是在頻率空間有明顯結(jié)構(gòu)的。本論文研究的第一個課題是：任何前景射電源的同步輻射都會產(chǎn)生所謂自吸收現(xiàn)象，造成頻譜在某一特征頻率發(fā)射反轉(zhuǎn)，譜指數(shù)從同步輻射的負冪律轉(zhuǎn)換成正冪律。根據(jù)現(xiàn)有射電觀測，大約有千分之幾到百分之幾的源頻譜反轉(zhuǎn)發(fā)生在低頻波段50200MHz的范圍內(nèi)。由于這種同步輻射自吸收現(xiàn)象會破壞前景頻率空問的“平滑性”假設(shè)，對宇宙再電離實驗

4、的前景去除將帶來可能的影響。我們利用SKA的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合射電觀測數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模擬了帶有同步輻射自吸收的射電源產(chǎn)生的低頻射電背景。進一步，對于具有自吸收和沒有自吸收的兩種低頻射電背景，我們應(yīng)用相同的前景去除方法檢查并比較背景移去后的背景角功率譜是否相同且是否低于宇宙再電離信號。我們發(fā)現(xiàn)，如果同步自吸收的頻譜反轉(zhuǎn)發(fā)生得比較緩和(典型寬度200MHz左右)而不是尖銳或突變，則目前基于頻譜空間移去前景的技術(shù)完全可以使用，因為選擇OE