[論文レビュー] A Wideband Polarization Survey of the Extragalactic Sky at 2-4 GHz: A Science White Paper for the VLA Sky Survey

Sui Ann Mao, Julie Banfield+24 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、アップグレードされたVLAを用いて2–4 GHz帯域で銀河間宇宙空間の広帯域偏光サーベイを提案し、Faraday回折および偏光の減衰解析を通じてAGN、銀河、吸収線系における磁化イオン性物質をマッピングする。広帯域分光偏光計測とRM合成を用い、高度なモデリングを組み合わせることで、220,000個以上の偏光源の検出が可能となり、Faraday構造のデゲネラシーを解消し、宇宙の磁場および源の進化に関する理解を進める。

ABSTRACT

A VLA Sky Survey of the extragalactic sky at S band (2-4 GHz) with polarization information can uniquely probe the magneto-ionic medium in a wide range of astrophysical environments over cosmic time. For a shallow all-sky survey, we expect to detect over 4 million sources in total intensity $>$ 0.45 mJy beam$^{-1}$ and over 2.2$ imes$10$^5$ sources in polarized intensity. With these new observations, we expect to discover new classes of polarized radio sources in very turbulent astrophysical environments and those with extreme values of Faraday depth. Moreover, by determining reliable Faraday depths and by modeling depolarization effects, we can derive properties of the magneto-ionic medium associated with AGNs, absorption line systems and galaxies, addressing the following unresolved questions: (1) What is the covering fraction, the degree of turbulence and the origin of absorption line systems? (2) What is the thermal content in AGNs and radio galaxies? (3) How do AGNs and galaxies evolve over cosmic time? (4) What causes the increase in percentage polarization with decreasing flux densities at the low flux density end of the polarized source count? (5) What is the growth rate of large-scale magnetic fields in galaxies?

研究の動機と目的

• 吸収線系の起源、乱流、覆い範囲の未解決問題を、Faraday深さおよび偏光の減衰効果の測定によって解明すること。
• 宇宙時間にわたるAGNおよび電波銀河における熱的成分および磁場の進化を特定すること。
• 低全波長密度における偏光率の増加の原因を、広帯域偏光計測により解明すること。
• 未解明の源の統計的解析を用いて、銀河における大規模磁場の成長率を測定すること。
• 2–4 GHz帯域での観測により、低周波数で偏光が減衰する源の検出を可能とし、波長依存の減衰効果を最小限に抑えること。

提案手法

• アップグレードされたJansky VLAのWIDAR相関器を用い、2–4 GHz帯域で広帯域偏光計測を実施し、高いダイナミックレンジおよびスペクトル分解能を達成する。
• Q/IおよびU/IスペクトルにRM合成を適用し、「汚れた」Faraday分散関数（FDF）を生成し、RMスプレッド関数（RMSF）と畳み込む。
• CLEANアルゴリズムを用いて複雑なFDFをデコンボリューションし、ピーク偏光強度、偏光方位角、回折測定値（RM）を抽出する。
• 最大尤度法を用いて、Q/IおよびU/Iスペクトルに対するFaraday厚いスクリーンの代表的モデルをフィッティングし、複数のFaraday成分を解明する。
• POSSUMパイプラインを活用し、源の検出とキャリブレーションを実施。Aegeanを用いて源検出と頑健なノイズ推定を実施。
• WebベースのSQLインターフェースを実装し、偏光源サブセットのカタログ可視化および品質管理を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間および銀河間空間における吸収線系の覆い範囲、乱流度、起源は何か？
• RQ2 AGNおよび電波銀河における熱的成分および磁場構造は何か？また、宇宙時間にわたってどのように進化するか？
• RQ3 外部銀河源の偏光率が低全波長密度で増加する理由は何か？また、減衰メカニズムはどのような役割を果たすか？
• RQ4 銀河における大規模磁場の成長率は何か？また、赤方偏移とともに磁場特性はどのように変化するか？
• RQ5 広帯域偏光計測は、複雑なFaraday構造における、異なる減衰メカニズムのデゲネラシーをどのように解消できるか？

主な発見

• 全強度で0.45 mJy beam⁻¹以上を観測した源は合計で400万個以上、偏光強度で220,000個以上が検出される見込みである。
• 2–4 GHz帯域での広帯域分光偏光計測により、狭帯域データでは区別できないFaraday回折と減衰効果のデゲネラシーが解消される。
• λ²の関数としてQ/IおよびU/Iスペクトルへの直接フィッティングは、RM合成のみに依存する手法よりも、真のFaraday構造をより信頼性高く特定する手法である。
• 2–4 GHz帯域における未解明の銀河における減衰傾向は、乱流的微小スケール磁場の情報が含まれており、宇宙時間にわたる磁場進化の統計的解析が可能になる。
• 本サーベイにより、Sバンドで波長依存の減衰効果が低減するため、低周波数で偏光が減衰する源の検出が可能になる。
• Faraday深さおよび減衰効果のモデリングにより、内部Faraday分散仮説の検証が可能となり、銀河内での磁場増幅時間スケールの制約が得られる。