Developing the ALBATROS Readout

A thesis by Stephen Fay.

Abstract

Observations of the Cosmic Dark Ages, the era between recombination and the first stars, promise a revolutionary 3D view of the early universe, offering profound insights into fundamental cosmology. Accessing the highly redshifted 21-cm hydrogen line from this epoch (below 30 MHz) could independently measure the Hubble constant, addressing the current Hubble tension, and shed light on the nature of Dark Matter and Dark Energy. However, this spectral window is largely unexplored due to overwhelming galactic foregrounds, pervasive radio frequency interference (RFI), and ionospheric distortions. The Array of Long Baseline Antenna for Taking Radio Observations from the Seventy-ninth parallel (ALBATROS), a pathfinder telescope located in the Canadian Arctic, is designed to tackle these challenges by precisely characterizing galactic emissions and probing ionospheric effects. This thesis focuses on the design, implementation, and performance of the ALBATROS readout system, a critical component for achieving the exquisite sensitivity and calibration required for this endeavor.

The ALBATROS readout system is engineered to operate in a remote, harsh Arctic environment while meeting the stringent demands of ultra-low frequency radio astronomy. Key challenges addressed by the readout electronics include managing a wide operational bandwidth (1.2 to 125 MHz) to facilitate RFI excision and spectral analysis, achieving high dynamic range to handle strong interference and faint cosmic signals simultaneously, and ensuring system stability crucial for long-duration integrations and calibration. This work details the architecture of the custom-designed analog signal chain, digitization, and data acquisition pipeline. Emphasis is placed on the strategies implemented within the readout system software and firmware for robust data handling.

Furthermore, this thesis explores the role of the readout system in enabling ALBATROS's primary scientific objectives. The system's ability to deliver high-fidelity spectral data is paramount for mapping the complex structure of galactic synchrotron radiation, the dominant foreground. Additionally, the precise characterization of antenna response and system stability, facilitated by the readout system, is crucial for developing and validating techniques for foreground subtraction and ionospheric correction—vital steps for future telescopes aiming to detect the faint 21-cm signal. Through rigorous testing and on-sky observations, this work demonstrates the performance of the ALBATROS readout system, establishing its capabilities as a foundational element in this pioneering effort to open a new observational window onto the early universe. The developments and lessons learned from the ALBATROS readout system will directly inform the design of next-generation instruments dedicated to unveiling the secrets of the Cosmic Dark Ages.

French Abstract

Les observations des âges sombres cosmiques, l'ère entre la recombinaison et les premières étoiles, promettent une vision 3D révolutionnaire de l'univers primitif, offrant des perspectives approfondies en cosmologie fondamentale. L'accès à la raie de l'hydrogène à 21 cm, fortement décalée vers le rouge, de cette époque (inférieure à 30 MHz) pourrait permettre de mesurer indépendamment la constante de Hubble, d'analyser la tension de Hubble actuelle et de mieux comprendre la nature de la matière noire et de l'énergie noire. Cependant, cette fenêtre spectrale reste largement inexplorée en raison de l'omniprésence des avant-plans galactiques, des interférences radioélectriques (RFI) omniprésentes et des distorsions ionosphériques. Le réseau d'antennes à longue base pour les observations radio du soixante-dix-neuvième parallèle (ALBATROS), un télescope d'exploration situé dans l'Arctique canadien, est conçu pour relever ces défis en caractérisant précisément les émissions galactiques et en sondant les effets ionosphériques. Cette thèse porte sur la conception, la mise en œuvre et les performances du système de lecture ALBATROS, un composant essentiel pour atteindre la sensibilité et l'étalonnage exceptionnels requis pour cette entreprise.

Le système de lecture ALBATROS est conçu pour fonctionner dans un environnement arctique isolé et hostile, tout en répondant aux exigences rigoureuses de la radioastronomie ultra-basses fréquences. Les principaux défis relevés par l'électronique de lecture incluent la gestion d'une large bande passante opérationnelle (1,2 à 125 MHz) pour faciliter l'excision des interférences radioélectriques et l'analyse spectrale, l'obtention d'une plage dynamique élevée pour gérer simultanément les fortes interférences et les faibles signaux cosmiques, et la garantie de la stabilité du système, essentielle aux intégrations et à l'étalonnage de longue durée. Ce travail détaille l'architecture de la chaîne de signaux analogiques, de la numérisation et du pipeline d'acquisition de données, conçus sur mesure. L'accent est mis sur les stratégies mises en œuvre dans le logiciel et le micrologiciel du système de lecture pour une gestion robuste des données.

Par ailleurs, cette thèse explore le rôle du système de lecture dans la réalisation des principaux objectifs scientifiques d'ALBATROS. La capacité du système à fournir des données spectrales haute fidélité est primordiale pour cartographier la structure complexe du rayonnement synchrotron galactique, le premier plan dominant. De plus, la caractérisation précise de la réponse de l'antenne et de la stabilité du système, facilitée par le système de lecture, est cruciale pour le développement et la validation des techniques de soustraction du premier plan et de correction ionosphérique, des étapes cruciales pour les futurs télescopes visant à détecter le faible signal de 21 cm. Grâce à des tests rigoureux et à des observations sur le ciel, ces travaux démontrent les performances du système de lecture ALBATROS, établissant ses capacités comme élément fondamental de cet effort pionnier visant à ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers primitif. Les développements et les enseignements tirés du système de lecture ALBATROS éclaireront directement la conception des instruments de nouvelle génération destinés à dévoiler les secrets des âges sombres cosmiques.

Introduction

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