[論文レビュー] Foregrounds for observations of the cosmological 21 cm line: I. First Westerbork measurements of Galactic emission at 150 MHz in a low latitude field

G. Bernardi, De Bruyn+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 47被引用数 112

ひとこと要約

本研究は、低緯度のファン領域における150 MHzでの銀河系拡散21 cm放射の最初のウーテルボルク合成電波望遠鏡観測を報告し、2アングストローム分の分解能を達成した。13アングストローム分以上のスケールでは合計強度の揺らぎのrmsが14 Kであり、4アングストローム分のスケールでは偏光強度のrmsが7.2 Kであった。合計強度および偏光強度の両方の角運動量スペクトルが、それぞれ−2.2および−1.65のべき乗則的傾きを示し、再電離時代実験における重要な前景汚染推定値を提供した。

ABSTRACT

We present the first results from a series of observations conducted with the Westerbork telescope in the 140--160 MHz range with a 2 arcmin resolution aimed at characterizing the properties of the foregrounds for epoch of reionization experiments. For the first time we have detected fluctuations in the Galactic diffuse emission on scales greater than 13 arcmin at 150 MHz, in the low Galactic latitude area known as Fan region. Those fluctuations have an $rms$ of 14 K. The total intensity power spectrum shows a power--law behaviour down to $\ell \sim 900$ with slope $β^I_\ell = -2.2 \pm 0.3$. The detection of diffuse emission at smaller angular scales is limited by residual point sources. We measured an $rms$ confusion noise of $\sim$3 mJy beam$^{-1}$. Diffuse polarized emission was also detected for the first time at this frequency. The polarized signal shows complex structure both spatially and along the line of sight. The polarization power spectrum shows a power--law behaviour down to $\ell \sim 2700$ with slope $β^P_\ell = -1.65 \pm 0.15$. The $rms$ of polarization fluctuations is 7.2 K on 4 arcmin scales. By extrapolating the measured spectrum of total intensity emission, we find a contamination on the cosmological signal of $δT= \sqrt{\ell (\ell+1) C^I_\ell / 2π} \sim 5.7$ K on 5 arcmin scales and a corresponding $rms$ value of $\sim$18.3 K at the same angular scale. The level of the polarization power spectrum is $δT \sim 3.3$ K on 5 arcmin scales. Given its exceptionally bright polarized signal, the Fan region is likely to represent an upper limit on the sky brightness at moderate and high Galactic latitude.

研究の動機と目的

• 再電離時代（EoR）実験における前景モデリングを目的として、150 MHzにおける銀河系拡散電波放射の角運動量スペクトルを特徴づけること。
• 未解像化された点源および熱雑音がアングストロームスケールの前景混在に与える影響を評価すること。
• 回転測定法を用いて150 MHzにおける銀河系拡散放射の偏光構造を測定すること。
• EoR信号検出に関係するスケールにおける合計強度および偏光強度の前景汚染レベルを推定すること。
• ファン領域が中程度から高緯度における典型的な天の川領域を代表しているのか、それとも前景輝度の上限を示しているのかを評価すること。

提案手法

• 140–160 MHz帯域でウーテルボルク合成電波望遠鏡を用いて観測を行い、2アングストローム分の角分解能を得た。
• 偏光データに回転測定法を適用し、ファラデー深さ構造を解明し、偏光放射成分を抽出した。
• 校正済みデータから合計強度および偏光強度の角運動量スペクトルを計算し、1〜30アングストローム分のスケールにおける揺らぎを定量化した。
• 残差マップのrmsから未解像化点源の混在を推定し、混在ノイズを約3 mJy beam⁻¹と評価した。
• 前景運動量スペクトルを5アングストローム分のスケールに外挿し、宇宙論的21 cm信号検出における汚染レベルを推定した。
• 理論的EoR信号期待値と測定された前景運動量スペクトルを比較し、検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファン領域における150 MHzの合計強度拡散銀河系放射の角運動量スペクトルは、アングストロームスケールでどのように振る舞うか？
• RQ2 150 MHzにおける偏光放射構造は、ファラデー回転およびシンクロtron放射モデルの予想とどの程度一致するか？
• RQ3 未解像化された点源に起因する残差混在が、アングストロームスケールにおける宇宙論的21 cm信号検出の限界要因となる程度はどの程度か？
• RQ4 測定された前景運動量スペクトルは、宇宙論的21 cm信号の理論的期待値とどの程度一致するか？
• RQ5 ファン領域は、中程度から高緯度における典型的なスカイ領域を代表しているのか、それとも前景汚染の上限を示しているのか？

主な発見

• ファン領域における合計強度の揺らぎは、13アングストローム分以上のスケールでrmsが14 Kであった。
• 合計強度の角運動量スペクトルは、ℓ ≈ 900までβℓ^I = −2.2 ± 0.3のべき乗則的傾きを示した。
• 150 MHzでの偏光放射は初めて検出され、4アングストローム分のスケールでrmsが7.2 Kであった。
• 偏光強度運動量スペクトルは、ℓ ≈ 2700までβℓ^P = −1.65 ± 0.15のべき乗則的傾きを示した。
• 合計強度では5アングストローム分のスケールで前景汚染レベルがδT ≈ 5.7 K、偏光ではδT ≈ 3.3 Kと推定された。
• 未解像化点源に起因する残差混在が、アングストロームスケールにおける拡散放射検出の限界要因となっており、混在ノイズは約3 mJy beam⁻¹であった。これは、長基線を用いることでこの効果を低減できる可能性を示唆している。