[논문 리뷰] Foregrounds for observations of the cosmological 21 cm line: I. First Westerbork measurements of Galactic emission at 150 MHz in a low latitude field

G. Bernardi, De Bruyn외 12명|arXiv (Cornell University)|2009. 04. 02.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 47인용 수 112

한 줄 요약

이 연구는 150 MHz에서 저위도의 팬 영역에서 은하계 확산 21 cm 방사선의 웨스터보르크 합성 전파망원경 관측을 처음으로 수행하여 2 arcmin 해상도를 확보하였다. 이는 13 arcmin 이상의 스케일에서 총강도 변동성의 rms가 14 K이며, 4 arcmin 스케일에서 편광된 방사선의 rms가 7.2 K임을 발견하였다. 총강도와 편광강도에 대해 각각 기울기가 −2.2 및 −1.65인 면적 분포 스펙트럼의 거듭제곱 법칙을 따르며, 재결합 시기 실험에 대한 중요한 배경 오염 추정치를 제공한다.

ABSTRACT

We present the first results from a series of observations conducted with the Westerbork telescope in the 140--160 MHz range with a 2 arcmin resolution aimed at characterizing the properties of the foregrounds for epoch of reionization experiments. For the first time we have detected fluctuations in the Galactic diffuse emission on scales greater than 13 arcmin at 150 MHz, in the low Galactic latitude area known as Fan region. Those fluctuations have an $rms$ of 14 K. The total intensity power spectrum shows a power--law behaviour down to $\ell \sim 900$ with slope $β^I_\ell = -2.2 \pm 0.3$. The detection of diffuse emission at smaller angular scales is limited by residual point sources. We measured an $rms$ confusion noise of $\sim$3 mJy beam$^{-1}$. Diffuse polarized emission was also detected for the first time at this frequency. The polarized signal shows complex structure both spatially and along the line of sight. The polarization power spectrum shows a power--law behaviour down to $\ell \sim 2700$ with slope $β^P_\ell = -1.65 \pm 0.15$. The $rms$ of polarization fluctuations is 7.2 K on 4 arcmin scales. By extrapolating the measured spectrum of total intensity emission, we find a contamination on the cosmological signal of $δT= \sqrt{\ell (\ell+1) C^I_\ell / 2π} \sim 5.7$ K on 5 arcmin scales and a corresponding $rms$ value of $\sim$18.3 K at the same angular scale. The level of the polarization power spectrum is $δT \sim 3.3$ K on 5 arcmin scales. Given its exceptionally bright polarized signal, the Fan region is likely to represent an upper limit on the sky brightness at moderate and high Galactic latitude.

연구 동기 및 목표

• 재결합 시기(EoR) 실험의 배경 모델링을 위해 150 MHz에서 은하계 확산 전파 방사선의 각도 스펙트럼을 특성화하기 위해.
• 해상도가 없는 점원천과 열노이즈가 분석 척도에서의 배경 혼잡도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 역행도 분석을 사용하여 150 MHz에서 은하계 확산 방사선의 편광 구조를 측정하기 위해.
• EoR 신호 탐지에 관련된 스케일에서 총강도 및 편광강도의 배경 오염 수준을 추정하기 위해.
• 팬 영역가 일반적인 천구 영역을 대표하는지, 또는 중간에서 고위도에서의 배경 밝기 상한선을 나타내는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 관측는 140–160 MHz 대역에서 웨스터보르크 합성 전파망원경을 사용하여 2 arcmin 해상도로 수행되었다.
• 편광 데이터에 대해 역행도 분석을 적용하여 파라데이 깊이 구조를 해소하고 편광 방사선 성분을 추출하였다.
• 보정된 데이터로부터 총강도 및 편광강도의 각도 스펙트럼을 계산하여 1에서 30 arcmin 사이의 각도 스케일에서 변동성을 정량화하였다.
• 잔차 지도의 rms를 통해 잔여 점원천 혼잡도를 추정하여 약 3 mJy beam⁻¹의 혼잡 노이즈를 산출하였다.
• 배경 스펙트럼을 5 arcmin 스케일로 외삽하여 천체물리적 21 cm 신호 탐지에 대한 오염 수준을 추정하였다.
• 이론적 EoR 신호 기대치와 측정된 배경 스펙트럼을 비교하여 탐지 가능성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 팬 영역에서 150 MHz에서 총강도 확산 은하계 방사선의 각도 스펙트럼은 어느 정도인가? (arcmin 스케일 기준)
• RQ2 150 MHz에서의 편광 방사선 구조는 파라데이 회전 및 동기방출 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 해상도가 없는 점원천으로 인한 잔여 혼잡도가 arcmin 스케일에서 천체물리적 21 cm 신호 탐지에 얼마나 큰 제한을 둔다?
• RQ4 측정된 배경 스펙트럼은 천체물리적 21 cm 신호에 대한 이론적 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 팬 영역는 일반적인 천구 영역의 배경 오염을 대표하는가, 아니면 중간에서 고위도에서의 상한선을 나타내는가?

주요 결과

• 팬 영역에서 총강도 변동성은 13 arcmin 이상의 스케일에서 rms가 14 K이다.
• 총강도 각도 스펙트럼은 ℓ ≈ 900까지 기울기 βℓ^I = −2.2 ± 0.3인 거듭제곱 법칙을 따른다.
• 150 MHz에서 편광 방사선은 처음으로 탐지되었으며, 4 arcmin 스케일에서 rms는 7.2 K이다.
• 편광강도 스펙트럼은 ℓ ≈ 2700까지 기울기 βℓ^P = −1.65 ± 0.15인 거듭제곱 법칙을 따른다.
• 총강도의 경우 5 arcmin 스케일에서 배경 오염 수준은 δT ≈ 5.7 K로 추정되며, 편광의 경우 δT ≈ 3.3 K이다.
• 잔여 점원천 혼잡도는 확산 방사선 탐지에 제한을 둔다. 혼잡 노이즈는 약 3 mJy beam⁻¹이며, 이는 장거리 기준선이 이 효과를 줄이기 위해 필요함을 시사한다.