低频射电天空的高精度仿真与微弱天体辐射信号的识别

The dark ages and its late stage, i.e., the epoch of reionization (EoR), are expected to be a major center of interest within the next one or two decades for the facilities working in the low-frequency radio band, such as 21CMA, LOFAR, MWA, and SKA. One of the serious challenges in observing the 21 cm signals from the dark ages and EoR is that they are extremely weak and have been redshifted to the low frequency radio band. We propose to simulate the low frequency radio sky by taking into account different celestial emission components to achieve reasonably higher spatial and spectral accuracies. Base on the sky simulation new signal separation algorithms are to be designed to guarantee that different emission components can be identified and separated correctly. Also we will apply these new signal separation algorithms to the observed images and spectra to constrain the study of galaxies, galaxy clusters, and the the Epoch of Reionization.

在低频射电波段观测宇宙黑暗时期和再电离时期是未来10-20年观测宇宙学最前沿的关键突破方向之一。如何在这一新观测窗口内准确识别和分离强度相差5个量级以上的各层次天体辐射成分，并最终找到来自上述两个时期高度红移的极微弱中性氢21cm信号，需统合物理、天文、数学、信号分析与统计学等多学科知识，是当今国际重大课题。面对这一挑战和机遇，我们建议以上海交大低频射电理工团队为基础，发挥其十年来积累的优势，开展以下工作，为21世纪第二个十年观测宇宙学的进步做贡献，为未来全面开展宇宙再电离和黑暗时期研究提供重要观测分析手段：（1）基于多波段信息在角分和亚角分尺度上实现高精度低频射电天空仿真模拟；（2）据此，提出强前景干扰条件下探测效果稳定可靠的微弱信号识别和提取新算法，其有效探测阈值在图像空间至少达到10-3量级、在频谱和功率谱空间至少达到10-5量级；（3）将新优化算法用于实测数据及相关天体物理研究。

宇宙黑暗时期和再电离时期的中性氢21cm信号经过高度红移后可在低频射电窗口被观测到，但强的宇宙前景噪声、复杂的射电干涉仪器效应等强干扰使得21cm信号的直接观测十分困难，造就了一个跨物理、数学、天文、信号分析等多学科多领域的综合问题。为实现在低频射电窗口内准确识别和分离强度高于21cm信号5个量级以上前景辐射成分，解决21cm信号直接观测中的关键问题，我们以上海交大低频射电天文联合团队为基础开展工作:（1）在角分和亚角分尺度上实现了目前为止精度最高的低频射电天空仿真，完成了（i）星系团射电晕的精确物理建模；（ii）银河系轫致辐射的全天模拟；（iii）河外离散射电源的形态学仿真；显著地提高了此三成分建模的仿真程度。结合仪器效应响应接口将成果以仿真软件FG21sim的形式开源发布，供天文社区使用。（2）提出了一系列基于机器学习、深度学习架构且效果稳定的微弱信号探测、识别和提取算法，实现了强前景干扰条件下图像空间3个量级、频谱和功率谱空间5个量级前景分离的既定目标。（3）根据学科前沿的发展动态，依托平方公里阵列（Square Kilometre Array, SKA）探路者项目21CMA（21 CentiMeter Array）和先导项目MWA（Murchison Widefield Array）开展了低频射电数字波束合成实验和大型射电方法中微子探测实验两个重要的低频射电实验，为中国在未来SKA阶段的研究打下基础、积累关键优势。