[論文レビュー] New Limits on Polarized Power Spectra at 126 and 164 MHz: Relevance to Epoch of Reionization Measurements

David J. Moore, James Aguirre+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 50被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、32アンテナのPAPER観測を用いて、126 MHz（z=10.3）および164 MHz（z=7.66）における偏光パワー スペクトルの最初の上限を提示する。偏光放射の明確な検出は得られなかった。結果は、内在的な偏光割合が低く、イオン層によるファラデー回転による減衰があるため、エポック・オブ・リアリオン化（EoR）21 cm パワー スペクトルへの偏光漏れが無視できるほど小さいことを示している—k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹ において100 mK²未満である。

ABSTRACT

Polarized foreground emission is a potential contaminant of attempts to measure the fluctuation power spectrum of highly redshifted 21 cm HI emission from the epoch of reionization. Using the Donald C. Backer Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), we present limits on the observed power spectra of all four Stokes parameters in two frequency bands, centered at 126 MHz ($z=10.3$) and 164 MHz ($z=7.66$) for a three-month observing campaign of a 32-antenna deployment, for which unpolarized power spectrum results have been reported at $z=7.7$ (Parsons et al 2014) and $7.5 < z < 10.5$ (Jacobs et al 2014). The power spectra in this paper are processed in the same way as in those works, and show no definitive detection of polarized power. This non-detection appears to be largely due to the suppression of polarized power by ionospheric rotation measure fluctuations, which strongly affect Stokes Q and U. We are able to show that the net effect of polarized leakage is a negligible contribution at the levels of of the limits reported in Parsons et al 2014 and Jacobs et al 2014.

研究の動機と目的

• エポック・オブ・リアリオン化（EoR）期間中の21 cm パワー スペクトル測定に、偏光フォアグラウンドが与える影響を評価すること。
• ストークス Q および U からの偏光漏れが、低赤方偏移域における非偏光 EoR パワー スペクトルを汚染する可能性があるかどうかを特定すること。
• イオン層によるファラデー回転および RM 漿動による偏光放射の抑制を定量化すること。
• 既存の EoR パワー スペクトル測定が、観測限界を上回るレベルで偏光漏れの影響を受けていないかどうかを評価すること。

提案手法

• 126 MHz（z=10.3）および164 MHz（z=7.66）における3か月間のPAPER 32アンテナ配置によるストークス I, Q, U, V のパワー スペクトルを処理した。
• 先行の非偏光 EoR 研究で用いられた同じキャリブレーションおよびパワー スペクトル推定パイプライン（Parsons et al. 2014; Jacobs et al. 2015）を適用した。
• ビーム畳み込みによる比 ξ ≈ A₋/A₊ を用いて偏光漏れを推定した。ここで A₊ および A₋ は、加算および減算された偏光からのビーム加重パワー寄与である。
• RM 漿動を用いてイオン層による偏光放射の減衰をモデル化し、周波数に応じて2.5〜16の抑制係数が得られた。
• 非検出の整合性を、150 MHzにおける低い偏光割合（p ≈ 0.006）および高周波数調査からの偏光消去トレンドと照合した。
• 予測された漏れレベルを先行PAPER結果における観測された過剰パワーと比較し、漏れが支配的でないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAPER実験における126 MHzおよび164 MHzにおける偏光パワー スペクトルの上限は何か？
• RQ2 イオン層によるファラデー回転は、EoR 実験における検出可能な偏光放射をどの程度抑制するか？
• RQ3 低周波数帯における点源の内在的偏光割合は、従来の仮定と比較してどう異なるか。また、その影響は漏れにどのような影響を与えるか？
• RQ4 ストークス Q および U からの偏光漏れは、以前の非偏光 EoR パワー スペクトル測定で観測された過剰パワーを説明できるか？
• RQ5 観測された偏光放射の抑制は、低周波数電波源における既知の偏光消去トレンドと整合的か？

主な発見

• 126 MHzおよび164 MHzにおけるストークス Q や U での偏光パワーの明確な検出は得られず、k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹ において100 mK²未満の上限が得られた。
• 非偏光パワー スペクトルへの偏光漏れのレベルは、k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹ において100 mK²未満と推定され、先行PAPER結果で観測された過剰パワーをはるかに下回っている。
• イオン層のRM 漿動は、線形偏光放射を周波数に応じて2.5〜16倍の要因で減衰させ、検出可能な偏光信号を顕著に抑制している。
• 150 MHzにおける低い偏光割合 p ≈ 0.006 は、B13で検出された1つの偏光源と、Asad et al. (2015) の最近の偏光消去トレンドと整合的である。
• 内在的偏光が低く、イオン層による減衰があることから、PAPERの32アンテナアレイの感度レベルでは、偏光漏れはEoR測定において無視できるほど小さい。
• 先行PAPERのEoRパワー スペクトル測定の信頼性を支持する結果であり、k∥ > 0.15 h Mpc⁻¹ 領域における観測された過剰パワーは偏光漏れでは説明できない。