[论文解读] 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 Bruyn+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2010

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 44被引用 68

一句话总结

本研究利用140–160 MHz频段的高分辨率Westerbork合成射电望远镜观测，对宇宙学21厘米线实验的银河系及河外前景进行了表征。结果表明，总强度前景在混淆噪声水平以下缺乏小尺度功率，极化前景较弱且主要由低法拉第旋转量数决定，表明其对再电离时代（EoR）信号探测的干扰程度低于以往预期。

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]

研究动机与目标

• 表征140–160 MHz频段银河系及河外前景的角功率谱，以支持宇宙学21厘米线实验。
• 评估总强度与极化前景对再电离时代（EoR）信号探测的影响。
• 通过分析中银纬场的真实数据，评估前景消除技术的有效性。
• 确定中银纬区域的弥散极化发射是否对EoR实验构成显著污染风险。
• 为即将投入使用的低频阵列（如LOFAR和MWA）相关角尺度上的前景结构提供观测约束。

提出的方法

• 利用Westerbork合成射电望远镜（WSRT）在140–160 MHz频段进行高动态范围的总强度与极化观测，角分辨率达2角分。
• 应用法拉第旋转量（RM）合成技术分析极化发射，识别法拉第深度结构。
• 计算两个场（靠近3C196和北天极）的总强度与极化角功率谱。
• 采用校准技术在3C196场实现150,000:1的动态范围，最大限度减小系统效应。
• 将观测到的功率谱与模拟的弥散前景及基准EoR信号进行比较，评估污染水平。
• 通过在不同RM值和带宽下建模Stokes Q与U的泄漏，评估仪器极化泄漏的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在140–160 MHz频段，总强度前景在1至30角分尺度上的角功率谱如何？
• RQ2 在中银纬区域，极化前景的结构与法拉第深度如何变化？
• RQ3 与银河系弥散发射相比，未分辨点源在前景功率谱中占主导地位的程度如何？
• RQ4 在低RM极化前景存在的情况下，仪器极化泄漏在多大程度上影响宇宙学21厘米信号的可探测性？
• RQ5 与从高频数据外推的结果相比，中纬度场的真实数据能否降低前景建模的不确定性？

主要发现

• 总强度角功率谱在小于约10角分的尺度上未显示显著的银河系弥散发射，与约3 mJy beam⁻¹的混淆噪声水平一致。
• 在大于30角分的尺度上，检测到由银河系前景引起的过量功率，其均方根值分别为3.4 K（3C196场）和5.5 K（NCP场）。
• 仅在3C196场检测到极化发射，其在大于30角分尺度上的均方根为0.68 K，且主要集中在法拉第旋转量小于4 rad m⁻²的区域。
• 在3C196场，极化信号在小于10角分的尺度上处于热噪声水平，表明其小尺度结构极弱。
• 当仪器极化泄漏为5%且|RM| = 3 rad m⁻²时，将在4 MHz带宽内产生约14 mK的波动，超过预期的EoR信号（5–10 mK）。
• 若将泄漏降低至1%，污染将降至约1.5 mK；若排除低ℓ模态（ℓ < 400），残余波动可进一步降低至约0.37 K，使其与仪器噪声相当。