[論文レビュー] Initial LOFAR observations of Epoch of Reionization windows: II. Diffuse polarized emission in the ELAIS-N1 field

Vibor Jelić, A. G. de Bruyn+107 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jul 8, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 39被引用数 52

ひとこと要約

本研究は、ELAIS-N1領域における初期のLOFAR HBA観測を提示し、Faraday深さ -10 ～ +13 rad m⁻² の範囲で平均して約4 Kの輝度温度を持つ拡散した偏光放射を検出した。研究結果は、高銀緯度における複雑で構造的な偏光放射を示しており、21-cm宇宙論実験に顕著な前方干渉を引き起こし、漏れを約4–8 mKのレベルに抑えるために、1%未満の精度の機器偏光校正が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

This study aims to characterise the polarized foreground emission in the ELAIS-N1 field and to address its possible implications for the extraction of the cosmological 21-cm signal from the Low-Frequency Array - Epoch of Reionization (LOFAR-EoR) data. We use the high band antennas of LOFAR to image this region and RM-synthesis to unravel structures of polarized emission at high Galactic latitudes. The brightness temperature of the detected Galactic emission is on average 4 K in polarized intensity and covers the range from -10 to +13rad m^-2 in Faraday depth. The total polarized intensity and polarization angle show a wide range of morphological features. We have also used the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) at 350 MHz to image the same region. The LOFAR and WSRT images show a similar complex morphology, at comparable brightness levels, but their spatial correlation is very low. The fractional polarization at 150 MHz, expressed as a percentage of the total intensity, amounts to 1.5%. There is no indication of diffuse emission in total intensity in the interferometric data, in line with results at higher frequencies. The wide frequency range, good angular resolution and good sensitivity make LOFAR an exquisite instrument for studying Galactic polarized emission at a resolution of 1-2 rad m^-2 in Faraday depth. The different polarised patterns observed at 150 MHz and 350 MHz are consistent with different source distributions along the line of sight wring in a variety of Faraday thin regions of emission. The presence of polarised foregrounds is a serious complication for Epoch of Reionization experiments. To avoid the leakage of polarized emission into total intensity, which can depend on frequency, we need to calibrate the instrumental polarization across the field of view to a small fraction of 1%.

研究の動機と目的

• LOFARを用いて高銀緯度におけるELAIS-N1領域の拡散偏光前景放射を特徴づけること。
• 再結合時代（EoR）の宇宙論的21-cm信号検出に及ぼす偏光前景放射の影響を評価すること。
• RM合成が拡散放射における複雑なFaraday深さ構造をどのように解像できるかを評価すること。
• 偏光拡散放射からの機器漏れ効果を定量化し、それがEoR信号を模倣または隠蔽する可能性を評価すること。
• 低周波数偏光測定におけるLOFARの、磁化された銀河間物質を研究する可能性の妥当性を確立すること。

提案手法

• LOFARの高帯域アンテナを用い、低周波数（通常は約30–80 MHz）でELAIS-N1領域をイメージングした。
• Faraday深さ -10 ～ +13 rad m⁻² の範囲にわたり、構造を解像できるようにRM合成を適用し、異なるFaraday深さにおける偏光放射成分に分解した。
• 偏光強度と輝度温度を測定したところ、領域全体で平均して約4 Kの値が得られた。
• WSRTおよびGMRTの350 MHz観測結果と比較し、形状的・強度的整合性を評価した。
• 機器漏れ効果を評価するため、0.1–0.2%の漏れがストークスIで約4–8 mKの誤差信号を生じうると推定した。
• SAGEcalを用いて源除去を行い、ストークスI画像における混信制限ノイズを低減し、漏れ解析のためのダイナミックレンジを向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高銀緯度におけるELAIS-N1領域の拡散偏光放射の形状的・強度的分布はどのようなものか？
• RQ2 WSRTが350 MHzで観測した場合と比較して、ELAIS-N1における偏光放射のFaraday深さ構造はどのように異なるか？
• RQ3 偏光拡散放射からの機器漏れが、ストークスIパワー スペクトルに及ぼす影響はどの程度で、それが宇宙論的21-cm信号を模倣する可能性は？
• RQ4 RM合成は、LOFAR帯域における複雑で広がった偏光放射特徴を効果的に解像できるか？
• RQ5 EoR実験において漏れを許容可能なレベル（<4–8 mK）に抑えるために、どの程度の機器偏光校正が必要か？

主な発見

• ELAIS-N1領域において、Faraday深さ -10 ～ +13 rad m⁻² の広い範囲にわたり、拡散偏光放射が検出された。
• 検出された偏光放射の平均輝度温度は約4 Kであり、以前のWSRTおよびGMRT観測で想定された値よりも顕著に高い。
• LOFARデータに見られる形状的特徴、特に北東部および東部の縞模様は、WSRTが350 MHzで観測した構造と一時的に相関しているが、SN比およびビーム不一致の制限により明確な結論は得られない。
• 数Kのレベルで複雑な空間的およびFaraday深さ的構造を持つ偏光放射の存在は、EoR実験にとって大きな挑戦である。
• 偏光拡散放射からの機器漏れは、ストークスIで約4–8 mKの誤差信号を生じうる。これは予想される宇宙論的21-cm信号の振幅と同等の大きさである。
• 現在のストークスI画像におけるノイズレベルは、まだ漏れの閾値を上回っており、混信を低減し、ダイナミックレンジを向上させるためにさらなる源除去とビームモデル化が不可欠である。