射电天空比天文学家想象的更亮 — SKA原型揭示
头图： 西澳大利亚默奇森射电天文台的SKALA4.1对数周期偶极子天线。[图片来源：CSIRO / SKA Observatory]
天文学家一直显著低估了低频射电天空的亮度——根据发表在《自然·天文学》上的一项使用Square Kilometre Array原型天线的新测量结果。研究发现，60至350兆赫之间的弥散射电背景在低频端比先前模型亮20%，在350兆赫处亮50%。
这一发现对即将到来的SKA-Low望远镜的校准、寻找21厘米氢信号的宇宙黎明实验的解读，以及我们对银河系高能电子群体的理解具有直接影响。
“我们以前所未有的精度确定了天空很大一部分区域的低频射电绝对背景亮度，”未参与该研究的荷兰射电天文学研究所ASTRON的米希尔·布伦特延斯表示。”这只有通过电子学的最新发展和计算能力的提高才成为可能。”
这项测量由澳大利亚国家科学机构CSIRO的卢克·麦凯领导，使用SKA-Low站中相同设计的SKALA4.1对数周期偶极子天线，放置在西澳大利亚因亚里曼哈·伊尔加里·本达拉天文台直径40米的SKA-Low站接地金属网之上。
校准难题
测量低频射电天空的绝对亮度是出了名的困难。在较高频率，天文学家可以通过指向温度已知的月球或行星来校准仪器。但在350 MHz以下，天空本身在所有方向上都是最亮的物体。没有空白区域可以作为零级参考。
先前的天空模型，特别是基于20世纪观测构建的2016年全球天空模型（GSM2016），存在约20%的系统性不确定度。新测量将这一不确定度大幅降低：在60至150 MHz之间低于2%，在350 MHz处略低于8%。
这一突破来自于CSIRO开发的GINAN接收器，这是一种新型接收器架构，在连接天线时实时动态自校准接收器噪声、通带和阻抗失配。这消除了困扰该频率范围内所有早期测量的校准不确定性。
是什么让天空更亮？
低频射电天空主要由同步辐射主导，即高能宇宙射线电子沿银河系磁力线螺旋运动产生的辐射。新测量表明，这些高能电子的数量超出了当前模型的估计。
但银河电子群体并非唯一可能的来源。远距离、极微弱射电源的未分辨群体——在纳央斯基量级，远低于现有巡天的探测阈值——也可能贡献了这部分过剩。两者结合被认为是最可能的解释。
论文还推测了一种更奇特的可能性：部分过剩可能来自暗物质粒子的衰变。布伦特延斯将暗物质证据描述为”非常薄弱”，但他指出精确测量为可能的暗物质衰变和湮灭信号提供了更好的上限。
对SKA-Low及更广泛领域的影响
最直接的实际影响是对SKA-Low的校准，该望远镜将在50至350 MHz范围内运行，恰好覆盖了这些测量的频率范围。新数据提供了精确的绝对流量密度标尺，可作为校准所有SKA-Low观测的稳定主参考。
其影响延伸至再电离纪元（EoR）实验，这些实验试图探测来自宇宙黎明的21厘米氢信号。这些观测必须减去弥散射电前景，其亮度比它们试图探测的信号高出几个数量级。不正确的天空模型会产生系统性误差，可能淹没或伪造EoR信号。
其他低频射电望远镜，包括欧洲的LOFAR、澳大利亚的默奇森宽场阵列和加利福尼亚的OVRO-LWA，都需要重新审视其流量校准标尺。现有的标准——巴尔斯流量密度标尺——存在约20%的系统性不确定度，现在可以加以修正。
合著者、澳大利亚射电天文学界的传奇人物罗恩·埃克斯指出，即使天文学进入数十亿美元设施的时代，这一结果也提醒我们还有许多基础天体物理学工作有待完成。”我们制造了更好的辐射计，发现天空并非我们想象的那样，”他说。”有时最重要的发现来自更仔细地测量事物。”
婷 翻译