[論文レビュー] System design and calibration of SITARA -- a global 21 cm short spacing interferometer prototype

Jishnu N. Thekkeppattu, B. McKinley+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2022

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、Murchison Radio-astronomy Observatoryに設置された短基線21 cm干渉計SITARAのプロトタイプを提示する。短基線干渉計が、無視できないノイズ結合とクロストークを伴っても、全天空信号を検出可能であることを示し、相互結合効果をアンテナパターンに組み込むことで、校正済みデータが可視性方程式でよくモデル化されることを示している。

ABSTRACT

Global 21-cm experiments require exquisitely precise calibration of the measurement systems in order to separate the weak 21-cm signal from Galactic and extragalactic foregrounds as well as instrumental systematics. Hitherto, experiments aiming to make this measurement have concentrated on measuring this signal using the single element approach. However, an alternative approach based on interferometers with short baselines is expected to alleviate some of the difficulties associated with a single element approach such as precision modelling of the receiver noise spectrum. Short spacing Interferometer Telescope probing cosmic dAwn and epoch of ReionisAtion (SITARA) is a short spacing interferometer deployed at the Murchison Radio-astronomy Observatory (MRO). It is intended to be a prototype or a test-bed to gain a better understanding of interferometry at short baselines, and develop tools to perform observations and data calibration. In this paper, we provide a description of the SITARA system and its deployment at the MRO, and discuss strategies developed to calibrate SITARA. We touch upon certain systematics seen in SITARA data and their modelling. We find that SITARA has sensitivity to all sky signals as well as non-negligible noise coupling between the antennas. It is seen that the coupled receiver noise has a spectral shape that broadly matches the theoretical calculations reported in prior works. We also find that when appropriately modified antenna radiation patterns taking into account the effects of mutual coupling are used, the measured data are well modelled by the standard visibility equation.

研究の動機と目的

• Murchison Radio-astronomy Observatoryで全天空21 cm信号検出をテストするため、短基線干渉計プロトタイプ（SITARA）を開発・設置すること。
• 密に配置された干渉計システムにおけるノイズ結合やクロストークといった系統的要因が、従来のキャリブレーション仮定に挑戦する点を調査すること。
• 相互結合効果を含む現実的な条件下で、短基線干渉計の全天空信号、特にスカイモノポールへの応答を検証すること。
• 周波数依存のビームクロマティシティや受信機ノイズスペクトル形状といった非理想要因を考慮したキャリブレーション戦略の開発と検証すること。
• EDA-2 や SKA-low などの将来の機器のテストベッドを提供するため、システムティクスを特徴付け、低周波数干渉計のキャリブレーション技術を洗練させること。

提案手法

• アンテナ間隔が1.5 m未塔の短基線干渉計（SITARA）をMurchison Radio-astronomy Observatoryに設置した。
• 相互結合を考慮した修正された放射パターンを用いた標準可視性方程式を適用し、アンテナ間のコherー二ョーを可視性データの相互相関により測定した。
• スカイ輝度温度のGlobal Sky Model（GSM）とシミュレートされたアンテナパターンを用いて、システム応答をモデル化したキャリブレーションを実装した。
• 電磁適合性を評価するため、テスト設置およびEMIケーブル測定を実施し、エンドツーエンドの性能を検証した。
• 測定されたスペクトル形状を用いて、ノイズ結合とクロストークを経験的にモデル化し、Venumadhavら（2016）の理論予測と比較した。
• 可視性キャリブレーション、スカイモデルフィッティング、システムティクス特徴化に、Pythonベースのデータ解析パイプライン（numpy, scipy, astropy, aipy, healpy）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SITARAのような短基線干渉計は、装置的系統的要因が存在する中でも、全天空21 cm信号のモノポールを検出可能か？
• RQ2 密に配置されたアンテナ間のノイズ結合とクロストークは、可視性測定やキャリブレーション精度にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 相互結合効果や非理想アンテナ放射パターンは、標準可視性方程式と比較して、可視性応答をどのように変化させるか？
• RQ4 相互結合効果を含む修正されたアンテナパターンを用いることで、キャリブレーション済み可視性データを標準可視性方程式で正確にモデル化できるか？
• RQ5 短基線干渉計における結合ノイズのスペクトル的特徴は何か？ また、理論的予測と比較してどうなるか？

主な発見

• SITARAは全天空信号に対して測定可能な応答を示し、従来のフーリエベースの直観とは対照的に、短基線干渉計がグローバル21 cm信号を検出可能であることを確認した。
• アンテナ間で無視できないノイズ結合が観測され、現在の構成では個々の受信機ノイズ電力の20％未塔のレベルであった。
• 結合ノイズのスペクトル形状は、Venumadhav ら（2016）の理論的予測と概ね一致しており、特にコherー二ョーが低い150–200 MHz帯域で顕著であった。
• 相互結合効果を含むように適切に修正されたアンテナ放射パターンを用いることで、測定された可視性データは標準可視性方程式でよくモデル化された。
• システムは、基線長の関数として、理論的予測（Vedantham ら、2015）に一致する特徴的なsinc型応答をスカイモノポールに対して示した。
• クロストークやノイズ結合といったシステムティクスは顕著であり、密に配置された干渉計システムでは、正確なキャリブレーションのためには明示的なモデル化が不可欠である。