[論文レビュー] The MWA Long Baseline Epoch of Reionisation Survey: I. Improved Source Catalogue for the EoR 0 field

C. Lynch, Timothy J. Galvin+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 124被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、MWAフェーズIIアレイを用いてEoR0領域の高分解能・多周波数源カタログを提供するMWA長基線再電離時代調査（LoBES）を提示する。特に主ビーム側 lobes 内の拡張的・明るい前景源のスペクトルおよび構造モデリングを改善することで、MWAフェーズIデータにおける残余前景源パワー、特に小スケールで低減され、再電離時代実験のキャリブレーション精度が向上する。

ABSTRACT

One of the principal systematic constraints on the Epoch of Reionisation (EoR) experiment is the accuracy of the foreground calibration model. Recent results have shown that highly accurate models of extended foreground sources, and including models for sources in both the primary beam and its sidelobes, are necessary for reducing foreground power. To improve the accuracy of the source models for the EoR fields observed by the Murchison Widefield Array (MWA), we conducted the MWA Long Baseline Epoch of Reionisation Survey (LoBES). This survey consists of multi-frequency observations of the main MWA EoR fields and their eight neighbouring fields using the MWA Phase II extended array. We present the results of the first half of this survey centred on the MWA EoR0 observing field (centred at RA(J2000) 0 h, Dec(J2000) -27 deg). This half of the survey covers an area of 3069 degrees$^2$, with an average rms of 2.1 mJy beam$^{-1}$. The resulting catalogue contains a total of 80824 sources, with 16 separate spectral measurements between 100 and 230 MHz, and spectral modelling for 78$\%$ of these sources. Over this region we estimate that the catalogue is 90$\%$ complete at 32 mJy, and 70$\%$ complete at 10.5~mJy. The overall normalised source counts are found to be in good agreement with previous low-frequency surveys at similar sensitivities. Testing the performance of the new source models we measure lower residual rms values for peeled sources, particularly for extended sources, in a set of MWA Phase I data. The 2-dimensional power spectrum of these data residuals also show improvement on small angular scales -- consistent with the better angular resolution of the LoBES catalogue. It is clear that the LoBES sky models improve upon the current sky model used by the Australian MWA EoR group for the EoR0 field.

研究の動機と目的

• 再電離時代（EoR）の前景キャリブレーションモデルを改善する主な目的は、MWA EoR0領域の高分解能・多周波数源カタログを作成することである。
• 本研究は、現在の天の川スカイモデルがしばしば拡張的・明るい源、特に主ビーム側 lobes 内の源を不正確に表現しているという、重要な制限を扱う。
• 100–230 MHz の周波数範囲で、源の正確なスペクトルおよび構造モデリングを提供することで、21 cm パワー スペクトル測定における前景汚染を低減することを目的とする。
• Murchison Widefield Array（MWA）を含むEoR実験における源の剥がし処理および前景差し引きの忠実性を高めることを目的とする。
• 90%の完全性レベルを32 mJyで達成し、10.5 mJyで70%の完全性を達成する。また、78%の源に対してスペクトルモデリングを実施し、将来のEoR検出作業を支援する。

提案手法

• LoBES調査は、MWAフェーズII拡張アレイを用い、100–230 MHz の周波数範囲でEoR0領域の周囲3069 deg² をカバーする多周波数観測を実施する。
• 合計80,824個の源が検出され、1源あたり16回のスペクトル測定が行われ、詳細なスペクトル指数および曲率モデリングが可能になった。
• 源同士のクロスマッチングと、ガウシアンおよびシェイプレットベースのモデリングを含む多成分手法を用いてモデリングが行われた。
• 広帯域イメージングパイプラインを採用し、平均rmsが2.1 mJy beam⁻¹の深さのある60 MHz画像が生成された。
• 新しい源カタログは、現在のオーストラリアMWA EoRスカイモデルとLoBESモデルの両方を用いてMWAフェーズIデータの残余パワー スペクトルを比較することで検証された。
• 性能は2次元パワー スペクトル解析を通じて評価され、特に小スケールでフォアグラウンドウィンドウ内での残余フォアグラウンドパワーに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LoBES源カタログは、現在のオーストラリアMWA EoRスカイモデルと比較して、どの程度前景キャリブレーション精度が向上するか？
• RQ2 多周波数・多成分源モデリングは、MWAフェーズIデータにおける残余フォアグラウンドパワー低減にどの程度効果的か？
• RQ3 異なる全波長密度閾値におけるLoBESカタログの完全性とスペクトル忠実性はいかがなものか？
• RQ4 改善されたモデルは、特に小スケールで残余の2次元パワー スペクトルにどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 拡張的および側 lobes 内の源は、残余フォアグラウンド汚染においてどのような役割を果たし、新しいカタログではどの程度正確にモデリングされているか？

主な発見

• LoBESカタログは、32 mJyで90%の完全性、10.5 mJyで70%の完全性を達成し、中央値感度は2.1 mJy beam⁻¹であった。
• 80,824個の源のうち78%に対してスペクトルモデリングが成功し、パワーロー法で最もよく適合した源については、既存の文献と整合するスペクトル指数が得られた。
• 残余フォアグラウンドの2次元パワー スペクトルでは、現在のスカイモデルと比較してLoBESモデルを用いた場合、小スケールでパワーが顕著に低減された。
• 剥がし処理された源の残余rms値は低く、特に拡張的源で顕著に改善されており、キャリブレーション忠実性の向上が示された。
• 改善効果はフォアグラウンドウィンドウ内で最も顕著であり、より良い源構造およびスペクトルモデルがフォアグラウンド漏れを低減することを確認した。
• 研究では、拡散的銀河平面放射およびビームモデルの不正確さが、大スケールで残余パワーを制限する可能性のある残存系として特定された。