利用21CMA研究低频射电波段的重要天文现象

21厘米阵列（21 Centimeter Array，简称21CMA）是国家天文台建设运行的大型射电望远镜，工作波段为50-200MHz。作为目前国际上工作在此低频射电波段的接收面积最大、灵敏度最高的观测设备，21CMA两年来的稳定运行为我们赢得了深入开展低频射电天文研究的宝贵机会。本项目借助21CMA提供的良好观测平台，利用射电干涉和综合孔径成像技术，将获取北极天区30-700平方度视场内的多波段射电天空图像，进一步提取射电源的位置信息和流量密度，并首次发布该低频射电波段的星表。同时，我们将在低频波段捕捉北极天区出现的重要天文现象，比如脉冲星和伽玛射线暴。结合理论研究和实测，我们计划分析射电天体的空间分布特性和频谱特征，将射电天文学研究扩展至1.5-6米的全波段，同时探讨射电天体和星际物质在低频射电波段的物理状态、能量分布以及辐射机制，期望在完善天体低频性质的基础上发现新的物理现象。

我首先模拟了21CMA的低频观测过程，建立了覆盖10度×10度天区的大体积数值模拟程序。一方面，我进行了高精度的Monte Carlo前景模拟，包含了三种主要的前景成分：（1）银河系同步辐射和自由-自由辐射，（2）星系团和（3）河外点源。另一方面，我运行21cmFAST，产生了再电离时期的21厘米信号。在模拟低频干涉测量时，我考虑了随频率变化的仪器响应和热噪声。通过这一整套的数值模拟，我获得了21CMA的模拟观测数据，并逐一了解了其中的各种影响因素和数据成分。基于此，我接着开展了数据处理方法的研究。首先，我提出了一种在傅立叶空间扣除前景的方法。该方法将弥散辐射、混淆源和明亮点源等同对待，通过沿视线方向对频谱进行拟合将所有这些前景污染一并扣除。在传统的前景扣除方法中，人们需要率先对可分辨的点源去卷积。原则上这是可行的，但由于射电图像的动态范围偏低，点源的扣除过程往往会引入一些甚至是相当大的人为误差。我提出的前景扣除方法完全避免了这方面的麻烦。该方法快速而有效，且不需要抛弃任何数据，这无形中提高了观测数据的信噪比。该方法成功的关键点在于它创新性地在傅立叶空间进行前景扣除的操作，这使得人们可以运用方差倒数加权的方法准确描述望远镜仪器响应随频率的变化。然后，我将该前景扣除方法应用到借助21厘米功率谱探测重子声波震荡（BAO）的实验中。在高红移时期，利用传统的星系巡天手段探测BAO变得不再可行。签于此，我发展了一套无需分辨单个源的观测策略，实现了高红移时期的大面积深度巡天。我探讨了此方案下BAO测量可能达到的精度，并讨论了测量精度随望远镜核心指标和前景扣除参数的变化。相较于自相关，互相关分析所面临的前景挑战和系统效应都会小很多。因此，我在工作中还估计了21厘米辐射背景和近红外辐射背景的互相关统计信号，将此作为目前再电离研究的重要补充。我在国际上率先运用与WMAP数据一致的再电离模型对互相关信号的强度和特征进行研究。我发现，再电离时期的21厘米辐射背景确实与近红外辐射背景存在互相关，虽然只有一小部分的近红外辐射背景表现出了与21厘米背景的相关性。我进一步预测将来的SKA望远镜和优化后的CIBER巡天望远镜通过一年时间的积分有望探测到这种互相关信号。我的工作表明，追踪21cm-NIRB互相关信号随红移的演化可以帮助我们限制再电离的进程并确定“失踪的”近红外背景的起源问题。