[論文レビュー] 21 cm observation of LSS at z~1 Instrument sensitivity and foreground subtraction

R. Ansari, J.E. Campagne+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 5被引用数 45

ひとこと要約

本稿では、大口径・多ビーム電波干渉計を用いた21 cm強度マッピングが、z ~ 1における大規模構造におけるバリオン音響振動（BAO）を検出可能であり、ダークエネルギーの制約を競争的に得られることを提案している。シミュレートされた機器応答とフォアグラウンド除去手法を用いて、約400ビームを有する10000 m²のアレイが3年間でダークエネルギー状態方程式パラメータw₀について12%の精度を達成できることを示しており、光学的調査と同等の性能を低コストで実現可能である。

ABSTRACT

Large Scale Structures (LSS) in the universe can be traced using the neutral atomic hydrogen HI through its 21cm emission. Such a 3D matter distribution map can be used to test the Cosmological model and to constrain the Dark Energy properties or its equation of state. A novel approach, called intensity mapping can be used to map the HI distribution, using radio interferometers with large instantaneous field of view and waveband. In this paper, we study the sensitivity of different radio interferometer configurations, or multi-beam instruments for the observation of large scale structures and BAO oscillations in 21cm and we discuss the problem of foreground removal. For each configuration, we determine instrument response by computing the (u,v) or Fourier angular frequency plane coverage using visibilities. The (u,v) plane response is the noise power spectrum, hence the instrument sensitivity for LSS P(k) measurement. We describe also a simple foreground subtraction method to separate LSS 21 cm signal from the foreground due to the galactic synchrotron and radio sources emission. We have computed the noise power spectrum for different instrument configuration as well as the extracted LSS power spectrum, after separation of 21cm-LSS signal from the foregrounds. We have also obtained the uncertainties on the Dark Energy parameters for an optimized 21 cm BAO survey. We show that a radio instrument with few hundred simultaneous beams and a collecting area of ~10000 m^2 will be able to detect BAO signal at redshift z ~ 1 and will be competitive with optical surveys.

研究の動機と目的

• z ~ 1における大規模構造（LSS）からの21 cm放射の検出に向けた電波干渉計構成の感度を評価すること。
• 強度マッピングを用いた21 cmスペクトラムパワーにおけるバリオン音響振動（BAO）の測定可能性を評価すること。
• 明るい銀河系シンクロトロン放射および電波源のフォアグラウンドからの宇宙論的21 cm信号を分離するためのフォアグラウンド除去手法の開発と検証。
• 3年間の21 cm強度マッピング調査によって達成可能なダークエネルギーパラメータの精度を推定し、光学的調査と比較すること。

提案手法

• 可視性の(u,v)-平面上のカバレッジを用いて機器応答をモデル化し、ノイズパワー スペクトルを計算することで、H Iパワー スペクトルP(k)への感度を決定する。
• 銀河系シンクロトロンおよび外部銀河系電波源の現実的なスカイモデルを用いて、成分分離法を適用し、フォアグラウンド除去をシミュレートする。
• 機器の伝達関数は(u,v)-平面上の応答から導出し、21 cmパワー スペクトルの有効測定をモデル化する。
• フィッシャー行列解析を用いて、BAO測定とPlanckの事前分布を組み合わせて、宇宙論的パラメータの制約を予測する。
• 3次元パワー スペクトル再構成において赤方偏移空間歪みおよび角度分解能の影響を考慮する。
• 感度と調査効率の観点から、ヘクタール単位の面積に400個の電波望遠鏡を密に配置した構成を代表的な設定としてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数100ビームを有する電波干渉計と約10,000 m²の受光面積を持つ装置が、z ~ 1における21 cmパワー スペクトルのBAO特徴を検出可能か？
• RQ2 異なる干渉計構成の(u,v)-平面上のカバレッジが、ノイズパワー スペクトルおよびLSSへの感度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 単純なフォアグラウンド除去手法が、現実的なシミュレーションにおいて銀河系シンクロトロンおよび電波源のフォアグラウンドから宇宙論的21 cm信号を効果的に分離できるか？
• RQ4 3年間の21 cm強度マッピング調査で、ダークエネルギー状態方程式w₀およびwaの精度はどの程度達成可能か？
• RQ5 21 cm BAO調査の性能は、SDSS-IIIのような光学的調査と比較して、ダークエネルギーパラメータの制約においてどのように評価されるか？

主な発見

• 約400台の電波望遠鏡と約10,000 m²の受光面積を有する密な干渉計アレイは、z ~ 1における21 cmパワー スペクトルのBAO特徴を検出するのに十分な感度を有する。
• この構成による3年間の調査では、ダークエネルギーパラメータw₀について12%の不確実性、waについて48%の不確実性が得られ、図の優位性（Figure of Merit）は38である。
• 機器応答は(u,v)-平面上のカバレッジを用いてモデル化され、ノイズパワー スペクトルを正確に予測し、P(k)への感度を決定する。
• 機器応答が適切に特徴付けられている限り、成分分離法によるフォアグラウンド除去は、シミュレーションにおいて宇宙論的21 cm信号を効果的に回復できる。
• 21 cm BAO調査は、光学的調査（例：SDSS-III）と同等の性能を示し、コストの一部にとどまる範囲で同様のダークエネルギー制約を達成可能である。
• 本手法により、実際のフォアグラウンド汚染が存在する中でも、150 Mpcの共動距離におけるBAOスケールを10%未満の精度でピーク位置を特定して検出可能である。