[論文レビュー] The LOFAR Two Meter Sky Survey: Deep Fields, I -- Direction-dependent calibration and imaging

C. Tasse, T. W. Shimwell+30 more|Durham Research Online (Durham University)|Nov 16, 2020

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 77被引用数 40

ひとこと要約

本論文は LOFAR High Band Antenna データの方向依存キャリブレーションとイメージングパイプライン（ddf-pipeline-v2）を提示し、Boötes および Lockman Hole フィールドを約150 MHz で深度が深く高忠実度で熱雑音制限の画像として生成し、深い積分観測で前例のない低ノイズレベルを達成する。

ABSTRACT

The Low Frequency Array (LOFAR) is an ideal instrument to conduct deep extragalactic surveys. It has a large field of view and is sensitive to large scale and compact emission. It is, however, very challenging to synthesize thermal noise limited maps at full resolution, mainly because of the complexity of the low-frequency sky and the direction dependent effects (phased array beams and ionosphere). In this first paper of a series we present a new calibration and imaging pipeline that aims at producing high fidelity, high dynamic range images with LOFAR High Band Antenna data, while being computationally efficient and robust against the absorption of unmodeled radio emission. We apply this calibration and imaging strategy to synthesize deep images of the Bootes and LH fields at 150 MHz, totaling $\sim80$ and $\sim100$ hours of integration respectively and reaching unprecedented noise levels at these low frequencies of $\lesssim30$ and $\lesssim23$ $μ$Jy/beam in the inner $\sim3$ deg$^2$. This approach is also being used to reduce the LoTSS-wide data for the second data release.

研究の動機と目的

• 低周波数での深層 LOFAR 外部銀河観測の必要性を動機づけ、方向依存キャリブレーションの課題を説明する。
• 第3世代のキャリブレーションとイメージングの数学的・アルゴリズム的枠組み（RIME、ddC-rime、ddI-rime）を記述する。
• 高ダイナミックレンジで熱雑音制限画像を生成する ddf-pipeline-v2 を紹介・検証する。
• Boötes および Lockman Hole フィールドにパイプラインを適用し、得られた画像品質と頑健性の改善を報告する。

提案手法

• 方向非依存の (G) および方向依存の (J) Jones/Mueller 行列を用いた Radio Interferometry Measurement Equation (RIME) の形式を提示する。
• 二段階キャリブレーションとイメージング（ddC-rime と ddI-rime）および dd-self-calibration の概念を説明する。
• ddf-pipeline-v2 に埋め込まれた、faceted で Jones ベースのアプローチと複数方向ソルバ（kMS、DDFacet、killMS）を用いる。
• 明るいソースのアーティファクトとモデリングされていないフラックス吸収を扱うためのダイナミックレンジ向上戦略を実装する。
• サイクル内で自己較正を用いて天空モデル x と Jones 成分を反復的に解く。クラスタリング、ブートストラッピング、平滑化のステップを組み込む。
• 前バージョンの ddf-pipeline-v1 と比べて安定性と頑健性の向上を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第3世代のキャリブレーションとイメージング（方向依存）をどのように統合して ~150 MHz の熱雑音制限 LOFAR 画像を作成できるか？
• RQ2 深い LOFAR フィールドにおける facet ベースで Jones ベースの dd キャリブレーション手法の利点と限界は何か？
• RQ3 ddf-pipeline-v2 は以前のパイプラインと比べてアーティファクトの減少とモデリングされていないフラックス吸収の低減を伴う頑健なイメージングを提供できるか？
• RQ4 Boötes や Lockman Hole のような深いフィールドで長時間積分によって達成可能なノイズレベルとダイナミックレンジはどれか？
• RQ5 方向依存効果（電離層、ビーム形状）が低周波数での高忠実度天空再構成にどのように影響するか？

主な発見

• Boötes および Lockman Hole の内側約3 deg^2で、約80–100時間の積分でノイズレベル ≲30 μJy/beam および ≲23 μJy/beam を達成した。
• 方向依存キャリブレーションとイメージングパイプラインが LOFAR HBA データから熱雑音制限マップを生成できることを実証した。
• ddf-pipeline-v2 を使用して明るいソース周辺のアーティファクトへの堅牢性の向上とモデリングされていないフラックス吸収の低減を示した。
• ddf-pipeline-v1 と比較して、統合パイプラインでの kMS/DDFacet を用いた dd キャリブレーションとイメージングは、より良い画像品質とアーティファクトの減少をもたらす（ Sec. 3 に記載）。
• 複数のファセットと周波数-時間領域にまたがる方向依存効果を扱う、スケーラブルで I/O 効率の高いワークフローを提供した。