[論文レビュー] NIKA 150 GHz polarization observations of the Crab nebula and its spectral energy distribution

A. Ritacco, J. F. Macías–Pérez+46 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、IRAM 30 m望遠鏡に搭載されたNIKAカメラを用いて、初の高分解能（18′′ FWHM）150 GHz偏光観測をカブスネビュラに対して実施した。空間的分布として偏光度および偏光角を再構築し、20–353 GHzの周波数範囲でほぼ一定の偏光角−87.7°±0.3°を確認した。また、偏光スペクトル指数βpol = −0.347 ± 0.026を測定し、全強度スペクトル指数β = −0.323 ± 0.001と整合的であり、シンクロトロン放射が支配的メカニズムであることを裏付けた。

ABSTRACT

The Crab nebula is a supernova remnant exhibiting a highly polarized synchrotron radiation at radio and millimeter wavelengths. It is the brightest source in the microwave sky with an extension of 7 by 5 arcminutes and commonly used as a standard candle for any experiment which aims at measuring the polarization of the sky. Though its spectral energy distribution has been well characterized in total intensity, polarization data are still lacking at millimetre wavelengths. We report in this paper high resolution (18 arcsec FWHM) observations of the Crab nebula in total intensity and linear polarization at 150 GHz with the NIKA camera. NIKA, operated at the IRAM 30 m telescope from 2012 to 2015, is a camera made of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKIDs) observing the sky at 150 and 260 GHz. From these observations we are able to reconstruct the spatial distribution of the polarization degree and angle of the Crab nebula, which is found to be compatible with previous observations at lower and higher frequencies. Averaging across the source and using other existing data sets we find that the Crab nebula polarization angle is consistent with being constant over a wide range of frequencies with a value of -87.7$^\circ$ +- 0.3 in Galactic coordinates. We also present the first estimation of the Crab nebula spectral energy distribution polarized flux in a wide frequency range: 30-353 GHz. Assuming a single power law emission model we find that the polarization spectral index $\beta_{pol}$ = - 0.347 +- 0.026 is compatible with the intensity spectral index $\beta$ = - 0.323 +- 0.001.

研究の動機と目的

• NIKAカメラを用いて、IRAM 30 m望遠鏡で150 GHz帯におけるカブスネビュラの高分解能（18′′ FWHM）偏光観測を実施すること。
• ミリ波・サブミリ波帯域におけるネビュラ全域における偏光度および偏光角の空間的分布を再構築すること。
• 広帯域周波数範囲（30–353 GHz）におけるカブスネビュラの全強度および偏光放射のスペクトルエネルギー分布（SED）を特徴づけること。
• 特に、CMB標準校正としての利用を想定し、カブスネビュラの偏光角およびスペクトル指数が周波数に依存しない一貫性を有するかを検証すること。
• 既存のデータセット間の不一致を評価し、将来のCMB実験における偏光校正の精度を向上させること。

提案手法

• 観測は、IRAM 30 m望遠鏡に搭載されたNIKAカメラ、ならびにLumped Element Kinetic Inductance Detectors（LEKIDs）を用いて150 GHz帯で実施された。
• ネビュラ全域における偏光度および偏光角を導出するため、ストークスI、Q、Uマップが作成された。
• 既存の偏光測定データ（WMAP：23–94 GHz、XPOL：90 GHz、Planck：30–353 GHz、POLKA：345 GHz、および他の機器）と統合された。
• 全強度および偏光フラックスのSEDに単一のべき乗則モデルをフィットさせ、χ²最小化法を用いてスペクトル指数βおよびβpolを決定した。
• 最終的なフラックスおよびスペクトル指数推定値に、絶対校正誤差や時間経過による源の減光といった系誤差を組み込んだ。
• 周波数帯域ごとの偏光角を分析し、その一定性を評価した。基準として銀河座標系が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カブスネビュラの偏光角は、CMB標準校正としての利用を想定するにあたり、20–353 GHzの周波数範囲で一定であると考えられるか？
• RQ2 カブスネビュラの偏光放射のスペクトルエネルギー分布（SED）は、ミリ波・サブミリ波帯域でどのように特徴づけられるか？
• RQ3 偏光スペクトル指数βpolと全強度スペクトル指数βはどのように比較されるか？ 両者の整合性は、シンクロトロン放射と整合的であるか？
• RQ4 150 GHz帯におけるネビュラ全域にわたり、偏光度および偏光角の空間的変動は認められるか？ 低周波数または高周波数観測と比較するとどうなるか？
• RQ5 高分解能偏光測定における系誤差は何か？ それらは校正精度にどのように影響するか？

主な発見

• カブスネビュラの偏光角は、20–353 GHzの周波数範囲で一定であると確認され、銀河座標系で−87.7°±0.3°の値を示した。
• 偏光度は観測周波数範囲全域で6.95%±0.03%と一定であり、安定した放射特性を示した。
• 偏光スペクトル指数はβpol = −0.347 ± 0.026として測定され、全強度スペクトル指数β = −0.323 ± 0.001と統計的に整合的であった。
• NIKAの150 GHz観測データは、全強度および偏光フラックスのSEDに最良の単一べき乗則モデルに整合しており、150 GHzにおける全フラックス密度は1010.2 ± 3.8 Jyであった。
• 高分解能観測（NIKA：150 GHz、POLKA：345 GHz）では、それぞれ平均値より約3°および約5°低い偏光角が観測されたが、系誤差の影響により不確かさが大きかった。
• 結果として、カブスネビュラの放射は、1つの相対論的電子集団がシンクロトロン放射を生成していると整合的であり、CMB偏光実験の標準校正器としての利用が裏付けられた。