[论文解读] 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 Bruyn+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 47被引用 112

一句话总结

本研究首次报告了利用Westerbork综合孔径射电望远镜在150 MHz频段对银道面低银纬Fan区域的银河系弥散21 cm发射的观测，角分辨率达到2角分。观测检测到总强度涨落的均方根（rms）为14 K（在大于13角分的尺度上），以及极化发射的rms为7.2 K（在4角分尺度上），并发现总强度与极化强度的角功率谱均呈幂律分布，幂律指数分别为−2.2和−1.65，为再电离时代实验中的关键前景污染估计提供了依据。

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.

研究动机与目标

• 为再电离时代（EoR）实验中的前景建模，表征150 MHz频段银河系弥散射电发射的角功率谱。
• 评估未解析点源与热噪声对弧分钟尺度前景混淆的影响。
• 利用旋转量测量合成法测量150 MHz频段银河系弥散发射的极化结构。
• 估算在EoR信号探测相关尺度上，总强度与极化强度的前景污染水平。
• 评估Fan区域是否代表典型天区，或是否为中高银纬区域前景亮度的上限。

提出的方法

• 在140–160 MHz频段，利用Westerbork综合孔径射电望远镜进行观测，角分辨率为2角分。
• 对极化数据应用旋转量测量合成法，以解析法拉第深度结构并提取极化发射组分。
• 从校准数据中计算总强度与极化强度的角功率谱，量化1至30角分尺度上的涨落。
• 通过残差图的均方根估算残余点源混淆，得到混淆噪声约为3 mJy beam⁻¹。
• 将前景功率谱外推至5角分尺度，以估算对宇宙学21 cm信号探测的污染水平。
• 将理论EoR信号预期与实测前景功率谱进行比较，以评估可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Fan区域，150 MHz频段总强度弥散银河系发射的角功率谱在弧分钟尺度上如何？
• RQ2 150 MHz频段的极化发射结构与法拉第旋转及同步辐射发射模型的预期相比如何？
• RQ3 未解析点源引起的残余混淆在多大程度上限制了在弧分钟尺度探测宇宙学21 cm信号？
• RQ4 实测前景功率谱与宇宙学21 cm信号的理论预期相比如何？
• RQ5 Fan区域是否代表典型天区的前景污染水平，还是代表中高银纬区域的前景亮度上限？

主要发现

• Fan区域的总强度涨落在大于13角分的尺度上，其均方根（rms）为14 K。
• 总强度角功率谱在ℓ ≈ 900以下遵循幂律，幂律指数为βℓ^I = −2.2 ± 0.3。
• 首次在150 MHz频段探测到极化发射，其在4角分尺度上的均方根（rms）为7.2 K。
• 极化强度功率谱表现出幂律行为，幂律指数为βℓ^P = −1.65 ± 0.15，下探至ℓ ≈ 2700。
• 估计前景污染水平为：在5角分尺度上，总强度的δT ≈ 5.7 K，极化强度的δT ≈ 3.3 K。
• 残余点源混淆限制了在弧分钟尺度对弥散发射的探测，混淆噪声约为3 mJy beam⁻¹，表明需要长基线观测以减小该效应。