[논문 리뷰] New Limits on Polarized Power Spectra at 126 and 164 MHz: Relevance to Epoch of Reionization Measurements

David J. Moore, James Aguirre외 16명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 17.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 50인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 32안테나 PAPER 관측을 통해 126 MHz (z=10.3) 및 164 MHz (z=7.66)에서 처음으로 편광된 스펙트럼에 대한 한계를 제시하며, 편광된 복사의 명확한 검출은 이루어지지 않았다. 결과는 EoR 21 cm 스펙트럼에 대한 편광 유출이 매우 미미하다는 것을 시사한다—k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹에서 100 mK² 이하이며, 이는 낮은 본질적 편광 분율과 이온층의 파라데이 회전 감쇠로 인해 발생한다.

ABSTRACT

Polarized foreground emission is a potential contaminant of attempts to measure the fluctuation power spectrum of highly redshifted 21 cm HI emission from the epoch of reionization. Using the Donald C. Backer Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), we present limits on the observed power spectra of all four Stokes parameters in two frequency bands, centered at 126 MHz ($z=10.3$) and 164 MHz ($z=7.66$) for a three-month observing campaign of a 32-antenna deployment, for which unpolarized power spectrum results have been reported at $z=7.7$ (Parsons et al 2014) and $7.5 < z < 10.5$ (Jacobs et al 2014). The power spectra in this paper are processed in the same way as in those works, and show no definitive detection of polarized power. This non-detection appears to be largely due to the suppression of polarized power by ionospheric rotation measure fluctuations, which strongly affect Stokes Q and U. We are able to show that the net effect of polarized leakage is a negligible contribution at the levels of of the limits reported in Parsons et al 2014 and Jacobs et al 2014.

연구 동기 및 목표

• 에포크 오브 재이온화(EoR) 기간 동안 편광된 전경이 21 cm 스펙트럼 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 스테이크스 Q 및 U에서 유래하는 편광 유출이 저 redshift 영역에서 비편광된 EoR 스펙트럼을 오염시킬 수 있는지 여부를 규명하기 위해.
• 이온층의 파라데이 회전과 RM 변동으로 인한 편광 복사의 억제 정도를 정량화하기 위해.
• 기존의 EoR 스펙트럼 측정에서 편광 유출이 관측 한계를 초월하는 수준으로 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 126 MHz (z=10.3) 및 164 MHz (z=7.66)에서 3개월간의 PAPER 32안테나 배치에서의 스트로크스 I, Q, U, V 스펙트럼을 처리하였다.
• 이전의 비편광 EoR 연구에서 사용된 동일한 캘리브레이션 및 스펙트럼 추정 파이프라인(Parsons et al. 2014; Jacobs et al. 2015)을 적용하였다.
• 빔 컨볼루션을 통한 비율 ξ ≈ A₋/A₊를 사용하여 편광 유출을 추정하였으며, 여기서 A₊ 및 A₋는 덧셈 및 뺄셈 편광에 대한 빔 가중 스펙트럼 기여도이다.
• RM 변동을 통한 이온층의 편광 복사 감쇠를 모델링하였으며, 주파수에 따라 2.5~16의 억제 요소를 보였다.
• 비검출 결과가 150 MHz에서 p ≈ 0.006의 낮은 편광 분율과 고주파수 조사에서의 탈편광 경향과 일치하는지 평가하였다.
• 예측된 유출 수준을 이전 PAPER 결과에서 관측된 초과 스펙트럼과 비교하여, 유출가 하위지배적임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PAPER 실험에서 126 MHz 및 164 MHz에서의 편광 스펙트럼에 대한 상한은 무엇인가?
• RQ2 이온층의 파라데이 회전은 EoR 실험에서 감지 가능한 편광 복사를 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 저주파수에서 점원천의 본질적 편광 분율은 이전 가정과 비교하여 어떻게 되며, 이는 유출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스테이크스 Q 및 U에서 유래하는 편광 유출이 이전 비편광 EoR 스펙트럼 측정에서 관측된 초과 스펙트럼을 설명할 수 있는가?
• RQ5 관측된 편광 복사 억제 현상은 저주파 라디오 천체의 알려진 탈편광 경향과 일치하는가?

주요 결과

• 126 MHz 및 164 MHz에서 Q 또는 U에서 편광 스펙트럼의 명확한 검출은 이루어지지 않았으며, k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹에서 100 mK² 이하의 상한을 기록하였다.
• 비편광 스펙트럼에 대한 편광 유출 수준은 k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹에서 100 mK² 이하로 추정되었으며, 이는 이전 PAPER 결과에서 관측된 초과 스펙트럼보다 훨씬 낮았다.
• 이온층의 RM 변동은 주파수에 따라 2.5~16의 요소로 선형 편광 복사를 억제하여 감지 가능한 편광 신호를 크게 감소시켰다.
• 150 MHz에서 p ≈ 0.006의 낮은 편광 분율은 B13에서 단일로 검출된 편광원과 Asad et al. (2015)의 최근 탈편광 경향과 일치한다.
• 낮은 본질적 편광과 이온층의 감쇠가 결합되어, PAPER 32안테나 어레이의 감도 수준에서 EoR 측정에 대한 편광 유출는 무시할 만하다.
• 이 결과는 이전 PAPER의 EoR 스펙트럼 측정이 강건하다는 것을 지지하며, k∥ > 0.15 h Mpc⁻¹ 영역에서 관측된 초과 스펙트럼은 편광 유출로 설명될 수 없다.