[論文レビュー] Foregrounds for observations of the cosmological 21 cm line: II. Westerbork observations of the fields around 3C196 and the North Celestial Pole

G. Bernardi, De Bruyn+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2010

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 44被引用数 68

ひとこと要約

本研究は、宇宙論的21 cm線実験のための銀河系および銀河間の前景を特徴付けるために、140–160 MHzで高分解能のWesterbork合成電波望遠鏡観測を提示する。全強度の前景では、混乱ノイズレベル未塔の小スケールパワーが欠如しており、偏光の前景は弱く、低ファラデー回転測度が支配的であることが判明し、これは再電離時代（EoR）信号検出において以前に懸念されたほど深刻な問題ではないことを示唆している。

ABSTRACT

In the coming years a new insight into galaxy formation and the thermal history of the Universe is expected to come from the detection of the highly redshifted cosmological 21 cm line. The cosmological 21 cm line signal is buried under Galactic and extragalactic foregrounds which are likely to be a few orders of magnitude brighter. Strategies and techniques for effective subtraction of these foreground sources require a detailed knowledge of their structure in both intensity and polarization on the relevant angular scales of 1-30 arcmin. We present results from observations conducted with the Westerbork telescope in the 140-160 MHz range with 2 arcmin resolution in two fields located at intermediate Galactic latitude, centred around the bright quasar 3C196 and the North Celestial Pole. They were observed with the purpose of characterizing the foreground properties in sky areas where actual observations of the cosmological 21 cm line could be carried out. The polarization data were analysed through the rotation measure synthesis technique. We have computed total intensity and polarization angular power spectra. Total intensity maps were carefully calibrated, reaching a high dynamic range, 150000:1 in the case of the 3C196 field. [abridged]

研究の動機と目的

• 宇宙論的21 cm線実験のため、140–160 MHzにおける銀河系および銀河間の前景の角度パワー スペクトルを特徴付けること。
• 全強度および偏光の前景が再電離時代（EoR）信号検出に与える影響を評価すること。
• 中程度の銀経度におけるフィールドからの実データを分析することで、前景除去技術の有効性を評価すること。
• 中程度の銀経度における拡散的偏光放射がEoR実験に顕著な汚染リスクをもたらすかどうかを検討すること。
• 将来的な低周波数アレイ（LOFAR や MWA など）に適した角度スケールに関連する前景構造について、観測的制約を提供すること。

提案手法

• 140–160 MHzで2 arcmin解像度を達成したWesterbork合成電波望遠鏡（WSRT）を用いて、高ダイナミックレンジの全強度および偏光観測を実施した。
• 偏光放射の分析に際して、回転測度（RM）合成を適用し、ファラデー深さ構造を同定した。
• 3C196近傍および北天天球極付近の2つのフィールドで、全強度および偏光の角度パワー スペクトルを計算した。
• 3C196フィールドで150,000:1のダイナミックレンジを達成するためのキャリブレーション技術を用い、システム効果を最小限に抑えた。
• 観測されたパワー スペクトルを、シミュレートされた拡散的前景および基準的EoR信号と比較し、汚染度を評価した。
• さまざまなRM値および帯域幅におけるストークスQおよびUのインストゥルメンタル偏光漏れをモデル化することで、漏れの影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 140–160 MHzにおける全強度の前景の角度パワー スペクトルは、1〜30 arcminのスケールでどのように変化するか？
• RQ2 中程度の銀経度フィールドにおける偏光の前景放射は、構造およびファラデー深さの点でどのように変化するか？
• RQ3 非分解能の点源が、拡散的銀河系放射と比較して、前景パワー スペクトルをどの程度支配しているか？
• RQ4 低RMの偏光の前景が存在する状況下で、インストゥルメンタル偏光漏れが宇宙論的21 cm信号の検出可能性に与える影響はどの程度か？
• RQ5 中程度の経度フィールドからの実データは、高周波数データからの外挿と比較して、前景モデルの不確実性をどの程度低減できるか？

主な発見

• 全強度の角度パワー スペクトルでは、約10 arcmin未塔のスケールで、拡散的銀河系放射の有意なパワーが認められず、これは約3 mJy beam⁻¹の混乱ノイズと整合的である。
• 30 arcmin以上のスケールでは、銀河系の前景による過剰なパワーが検出され、3C196フィールドではrmsが3.4 K、NCPフィールドでは5.5 Kであった。
• 偏光放射は3C196フィールドでのみ検出され、30 arcmin以上のスケールでrmsが0.68 Kであり、主に回転測度 <4 rad m⁻²の領域に集中していた。
• 3C196フィールドにおける偏光信号は、10 arcmin未塔のスケールで熱雑音レベルに達しており、小スケール構造が最小限であることを示している。
• |RM| = 3 rad m⁻²で5%のインストゥルメンタル偏光漏れが存在する場合、4 MHz帯域幅で約14 mKのフラクチュエーションが生じ、予想されるEoR信号（5–10 mK）を上回る。
• 漏れを1%に低減すれば、汚染は約1.5 mKに低下し、低ℓモード（ℓ < 400）を除外することで、残存フラクチュエーションを約0.37 Kにまで低減でき、これにより機器ノイズと同等の水準にまで抑えられる。