中性氢的理论和观测研究

The 21cm spectral line of neutral hydrogen (HI) is the first detected radio spectral line, and in principle it can be observed in most of the observable universe, providing rich information for cosmology. However, due to the strong foreground noise, at present its observation is still limited to low redshift only. Currently a large number of experiments are attempting to observe the neutral hydrogen at high or mid redshifts, for the study of cosmic reionization or large scale structure and dark energy, and it is hopeful that the breakthrough could be achieved within a few years. We have now basically finished the construction of an experimental array for mid-redshift 21cm survey (the Tianlai project), to test the 21cm observation technique. We plan to base this study on the Tianlai experiment array, and also consider the science of future telescopes such as FAST and SKA, to carry out theoretical as well as observational research: (1)The neutral hydrogen distribution and signal characteristics during and after the epoch of reionization, and its application in cosmological studies, such as the testing of dark energy models (2) The data processing method for the Tianlai array, including array configuration, map making, calibration, foreground subtraction and simulation (3) Analysis of the real data from the Tianlai array, including statistical analysis and characterization of the data, analysis for the source of noise and error，(4) Science study for the observed radio continuum sources.

中性氢的21cm谱线是最早被观测到的射电谱线，且原则上在大部分可观测宇宙中都能被观测到，可提供极丰富的宇宙学信息，但由于巨大的前景噪声，迄今为止其观测仅限于低红移。目前国内外一大批实验正在积极尝试观测高或中红移的中性氢观测，研究宇宙再电离或大尺度结构及暗能量，有望在未来几年内取得突破。我们目前已基本建成一个中红移21cm巡天实验阵列（天籁计划），用于试验中性氢观测技术。在本项目中我们将依托已建成的天籁实验阵列，并兼顾FAST和SKA等未来射电望远镜，开展理论和观测研究：（1）再电离时期和之后的中性氢分布、信号特征及其在暗能量等宇宙学观测中的应用（2）天籁阵列的数据处理方法，包括阵列构型、成图和功率谱估计、定标校准和前景减除方法和仿真模拟（3）天籁阵列的实际数据分析，对实测数据统计特征和噪声来源的分析归纳 (4) 观测到的连续谱射电源的科学研究等。

我们基本按照计划开展了研究。在上述各个方面均取得了大量科研成果。在理论方面，构建了再电离晚期中性氢岛屿半数值模型，提出再电离演化的五个阶段，分析了再电离时期偏袒系数的演化，定量研究了非均匀性对全天频谱的影响。此外，在大尺度结构方面，提出了重建线性密度场和还原21cm大尺度模式的新方法，研究了中微子的大尺度结构分布；在暗物质、暗能量研究方面，提出了检验轴子暗物质模型的新途径，分析了悟空卫星观测的暗物质解释等。在数据分析方法方面，提出了新的基于本征分解的干涉阵校准方法，研制了天籁阵列数据处理管线，构建了全天前景模型，发展了新的RPCA前景减除方法，预测了FAST的大尺度结构观测。我们讨论了光学谱线的强度映射观测特别是其中的窜入者。另一项重要的研究工作是提出了月球轨道超长波阵列，并给出了基于线性反演的成像方案，解决了在全天视场、运动基线、变动月球遮挡下干涉成像的问题。在实际数据处理方面，完成了天籁柱形和碟形阵数据的初步分析，给出了天籁阵列的性能，并成功地使用无人机进行了天线方向图测量。由于硬件故障，以及实测给出较复杂的阵列响应，这部分研究目前仍在继续。此外，也开展了FAST巡天并分析了FAST的1/f噪声特性，并正在进一步进行科学分析。在其它射电源研究方面，对快速射电暴的搜索方法进行了研究，提出了基于Hough 变换的搜索方法，可用于未来干涉阵的多数字波束处理。我们也对快速射电暴起源进行了研究，提出了基于致密天体星震、相干曲率辐射的辐射机制, 可以解释观测到的子脉冲频率漂移现象。