[논문 리뷰] 21 cm observation of LSS at z~1 Instrument sensitivity and foreground subtraction

R. Ansari, J.E. Campagne외 7명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 06.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 5인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 대형 개구구경 다중빔 라디오 간섭계를 이용한 21 cm 강도 매핑이 z ~ 1에서 대규모 구조 내 은하계 진동(BAO)을 탐지할 수 있으며, 암흑 에너지에 대한 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있다고 제안한다. 시뮬레이션된 기기 응답과 간섭성 제거 방법을 사용하여, 약 400개의 빔을 가진 10,000 m² 어레이가 3년 간 12%의 정밀도로 암흑 에너지 상태 방정식 매개변수 w₀를 측정할 수 있음을 보여주며, 이는 낮은 비용으로도 광학적 설문조사에 맞먹는다.

ABSTRACT

Large Scale Structures (LSS) in the universe can be traced using the neutral atomic hydrogen HI through its 21cm emission. Such a 3D matter distribution map can be used to test the Cosmological model and to constrain the Dark Energy properties or its equation of state. A novel approach, called intensity mapping can be used to map the HI distribution, using radio interferometers with large instantaneous field of view and waveband. In this paper, we study the sensitivity of different radio interferometer configurations, or multi-beam instruments for the observation of large scale structures and BAO oscillations in 21cm and we discuss the problem of foreground removal. For each configuration, we determine instrument response by computing the (u,v) or Fourier angular frequency plane coverage using visibilities. The (u,v) plane response is the noise power spectrum, hence the instrument sensitivity for LSS P(k) measurement. We describe also a simple foreground subtraction method to separate LSS 21 cm signal from the foreground due to the galactic synchrotron and radio sources emission. We have computed the noise power spectrum for different instrument configuration as well as the extracted LSS power spectrum, after separation of 21cm-LSS signal from the foregrounds. We have also obtained the uncertainties on the Dark Energy parameters for an optimized 21 cm BAO survey. We show that a radio instrument with few hundred simultaneous beams and a collecting area of ~10000 m^2 will be able to detect BAO signal at redshift z ~ 1 and will be competitive with optical surveys.

연구 동기 및 목표

• z ~ 1에서 대규모 구조(LSS)의 21 cm 복사에 대한 라디오 간섭계 구성의 민감도 평가
• 강도 매핑을 통해 21 cm 스펙트럼의 은하계 진동(BAO) 측정 가능성 평가
• 은하계 싱크로트론 및 은하계 외부 라디오 소스 방출로 인한 밝은 간섭성에서 천체물리적 21 cm 신호를 분리하기 위한 간섭성 제거 방법 개발 및 시험
• 3년간의 21 cm 강도 매핑 설문조사로 달성 가능한 암흑 에너지 매개변수의 정밀도 추정 및 광학 설문조사와의 비교

제안 방법

• 노이즈 스펙트럼 파wr 스펙트럼을 계산하기 위해 가시성의 (u,v)-평면 커버리지에 기반한 기기 응답 모델링을 통해 H I 스펙트럼 파wr 스펙트럼 P(k)에 대한 민감도를 결정한다.
• 실제 은하계 싱크로트론 및 은하계 외부 라디오 소스의 천체 모델을 사용하여 성분 분리 방법을 적용하여 간섭성 제거를 시뮬레이션한다.
• (u,v)-평면 응답에서 유도된 기기 전달 함수를 사용하여 21 cm 스펙트럼 파wr 스펙트럼의 효과적인 측정을 모델링한다.
• 피셔 행렬 분석을 사용하여 BAO 측정치와 플랑크 사전 정보를 조합하여 천체물리적 매개변수에 대한 제약 조건을 예측한다.
• 3D 스펙트럼 파wr 스펙트럼 복원에서 적색편이 공간 왜곡 및 각도 해상도 영향을 고려한다.
• 민감도 및 설문 효율성 측면에서 민감도를 대표하는 1헥타르 면적에 400개의 반도체 안테나를 배열한 패킹된 어레이를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 10,000 m² 수확 면적과 수백 개의 빔을 가진 라디오 간섭계가 z ~ 1에서 21 cm 스펙트럼 파워 스펙트럼의 BAO 특징을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 다양한 간섭계 구성에서 (u,v)-평면 커버리지가 노이즈 스펙트럼 파워 스펙트럼에 영향을 미치고, 그로 인해 LSS에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간단한 간섭성 제거 방법이 실재 시뮬레이션에서 은하계 싱크로트론 및 라디오 소스 간섭성에서 천체물리적 21 cm 신호를 성공적으로 분리할 수 있는가?
• RQ4 3년간의 21 cm 강도 매핑 설문조사로 w₀ 및 wa에 대해 어떤 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 21 cm BAO 설문조사의 성능은 SDSS-III와 같은 광학 설문조사에 비해 암흑 에너지 매개변수 제약 조건 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 약 400개의 반도체 안테나와 약 10,000 m² 수확 면적을 가진 패킹된 간섭계 어레이가 z ~ 1에서 21 cm 스펙트럼 파워 스펙트럼의 BAO 특징 탐지에 충분한 민감도를 확보한다.
• 이 구성으로 3년 설문조사가 이루어지면 암흑 에너지 매개변수 w₀에 대해 12%의 불확실도와 wa에 대해 48%의 불확실도를 얻으며, Figure of Merit는 38이다.
• 기기 응답은 (u,v)-평면 커버리지에 기반하여 모델링되며, 이는 노이즈 스펙트럼 파워 스펙트럼과 P(k)에 대한 민감도를 정확하게 예측한다.
• 기기 응답이 잘 특성화되어 있다면, 성분 분리 방법을 사용한 간섭성 제거가 시뮬레이션에서 천체물리적 21 cm 신호를 성공적으로 복원한다.
• 21 cm BAO 설문조사는 SDSS-III와 같은 광학 설문조사와 경쟁 가능하며, 비용의 일부분으로서 동일한 암흑 에너지 제약 조건을 달성한다.
• 이 방법은 현실적인 간섭성 오염이 존재하더라도, 약 150 Mpc의 복사 길이에서 BAO 척도를 10% 미만의 정밀도로 정확히 탐지할 수 있다.