[논문 리뷰] Foregrounds for observations of the cosmological 21 cm line: II. Westerbork observations of the fields around 3C196 and the North Celestial Pole

G. Bernardi, De Bruyn외 12명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 22.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 44인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 천문학적 21cm 선 실험을 위한 은하계 및 은하간 배경을 특성화하기 위해 140–160 MHz에서 고해상도 웨스터보르크 합성 전파망원경 관측을 제시한다. 총 강도 배경은 혼잡성 노이즈 수준 이하에서 소규모 구조의 에너지가 부족하며, 편광 배경은 약하고 낮은 파라데이 회전 측정값에 의해 지배되어 있어 이전에 우려되었던 것보다 에포크 오브 재이온화(EoR) 신호 탐지에 덜 문제시된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

In the coming years a new insight into galaxy formation and the thermal history of the Universe is expected to come from the detection of the highly redshifted cosmological 21 cm line. The cosmological 21 cm line signal is buried under Galactic and extragalactic foregrounds which are likely to be a few orders of magnitude brighter. Strategies and techniques for effective subtraction of these foreground sources require a detailed knowledge of their structure in both intensity and polarization on the relevant angular scales of 1-30 arcmin. We present results from observations conducted with the Westerbork telescope in the 140-160 MHz range with 2 arcmin resolution in two fields located at intermediate Galactic latitude, centred around the bright quasar 3C196 and the North Celestial Pole. They were observed with the purpose of characterizing the foreground properties in sky areas where actual observations of the cosmological 21 cm line could be carried out. The polarization data were analysed through the rotation measure synthesis technique. We have computed total intensity and polarization angular power spectra. Total intensity maps were carefully calibrated, reaching a high dynamic range, 150000:1 in the case of the 3C196 field. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 천문학적 21cm 선 실험을 위한 140–160 MHz에서 은하계 및 은하간 배경의 각도 스펙트럼을 특성화하기 위해.
• 총 강도 및 편광 배경이 에포크 오브 재이온화(EoR) 신호 탐지에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 중간 은하위도 영역의 실측 데이터를 분석하여 배경 제거 기법의 효과성을 평가하기 위해.
• 중간 위도에서의 퍼져 있는 편광 방출이 EoR 실험에 중대한 오염 위험을 초래하는지 여부를 판단하기 위해.
• 향후 LOFAR 및 MWA와 같은 저주파수 어레이에 관련된 각도 척도에서의 배경 구조에 대한 관측 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 140–160 MHz에서 2 arcmin 해상도로 웨스터보르크 합성 전파망원경(WSRT)을 사용하여 고다이내믹 레인지 총 강도 및 편광 관측을 수행하였다.
• 편광 방출을 분석하고 파라데이 깊이 구조를 식별하기 위해 회전 측도(RM) 합성 기법을 적용하였다.
• 3C196 근처 및 천구 북극 근처 두 영역에서 총 강도 및 편광의 각도 스펙트럼을 계산하였다.
• 3C196 영역에서 시스템 효과를 최소화하기 위해 캘리브레이션 기법을 사용하여 다이내믹 레인지 150,000:1를 달성하였다.
• 관측된 스펙트럼을 시뮬레이션된 퍼져 있는 배경과 기준 EoR 신호와 비교하여 오염 수준을 평가하였다.
• 다양한 RM 값과 대역폭에서 스트로우스 Q 및 U의 유도된 편광 유출 효과를 모델링하여 기구적 편광 유출 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 140–160 MHz에서 1~30 arcmin 척도에서 총 강도 배경의 각도 스펙트럼은 어떻게 되는가?
• RQ2 중간 은하위도 영역에서 편광 배경 방출은 구조와 파라데이 깊이 측면에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 비해상화된 점원천이 퍼져 있는 은하계 방출에 비해 배경 스펙트럼의 에너지를 얼마나 지배하는가?
• RQ4 낮은-RM 편광 배경이 존재할 때 기구적 편광 유출이 천체 물리적 21cm 신호 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 중간위도 영역 데이터는 고주파수 데이터에서의 외삽에 비해 배경 모델링의 불확실성을 어떻게 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 총 강도 각도 스펙트럼은 약 10 arcmin 이하에서 퍼져 있는 은하계 방출이 뚜렷하지 않으며, 이는 약 3 mJy beam⁻¹ 수준의 혼잡성 노이즈와 일치한다.
• 30 arcmin 이상의 척도에서 은하계 배경으로 인해 초과된 에너지가 관측되었으며, 3C196 영역에서는 3.4 K, 북극 천구 영역에서는 5.5 K의 rms 값을 기록하였다.
• 편광 방출은 3C196 영역에서만 관측되었으며, 30 arcmin 이상 척도에서 rms 값은 0.68 K였고 주로 회전 측도 <4 rad m⁻²에서 발생하였다.
• 3C196 영역의 편광 신호는 10 arcmin 이하 척도에서 열 노이즈 수준에 도달하여 소규모 구조가 거의 없음을 시사한다.
• 5%의 기구적 편광 유출과 |RM| = 3 rad m⁻²일 경우, 4 MHz 대역폭에서 약 14 mK의 변동성을 유도하며, 이는 예상되는 EoR 신호 5–10 mK를 초과한다.
• 유출률을 1%로 줄이면 오염 수준은 약 1.5 mK로 감소하고, 낮은 1(ℓ) 모드(ℓ < 400)를 제외하면 잔류 변동성이 약 0.37 K로 감소하여 기구적 노이즈 수준과 유사해진다.