[논문 리뷰] Initial LOFAR observations of Epoch of Reionization windows: II. Diffuse polarized emission in the ELAIS-N1 field

Vibor Jelić, A. G. de Bruyn외 107명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2014. 07. 08.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 39인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 ELAIS-N1 영역에 대한 LOFAR HBA 초기 관측을 보고하며, -10에서 +13 rad m⁻²의 파라데이 깊이 범위에서 평균 밝기 온도가 약 ~4 K인 확산된 편광된 복사장을 검출하였다. 연구 결과는 고은하적 위도에서 복잡하고 구조적인 편광된 복사장이 존재함을 시사하며, 이는 21cm 우주론 실험에 중대한 전경 오염을 초래하고 있으며, 유의미한 유의미한 기준 이하의 기구적 편광 보정이 필요함을 시사한다. 이는 유사한 수준의 유도된 신호를 억제하기 위해 ~4–8 mK 수준으로 유도를 억제해야 한다.

ABSTRACT

This study aims to characterise the polarized foreground emission in the ELAIS-N1 field and to address its possible implications for the extraction of the cosmological 21-cm signal from the Low-Frequency Array - Epoch of Reionization (LOFAR-EoR) data. We use the high band antennas of LOFAR to image this region and RM-synthesis to unravel structures of polarized emission at high Galactic latitudes. The brightness temperature of the detected Galactic emission is on average 4 K in polarized intensity and covers the range from -10 to +13rad m^-2 in Faraday depth. The total polarized intensity and polarization angle show a wide range of morphological features. We have also used the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) at 350 MHz to image the same region. The LOFAR and WSRT images show a similar complex morphology, at comparable brightness levels, but their spatial correlation is very low. The fractional polarization at 150 MHz, expressed as a percentage of the total intensity, amounts to 1.5%. There is no indication of diffuse emission in total intensity in the interferometric data, in line with results at higher frequencies. The wide frequency range, good angular resolution and good sensitivity make LOFAR an exquisite instrument for studying Galactic polarized emission at a resolution of 1-2 rad m^-2 in Faraday depth. The different polarised patterns observed at 150 MHz and 350 MHz are consistent with different source distributions along the line of sight wring in a variety of Faraday thin regions of emission. The presence of polarised foregrounds is a serious complication for Epoch of Reionization experiments. To avoid the leakage of polarized emission into total intensity, which can depend on frequency, we need to calibrate the instrumental polarization across the field of view to a small fraction of 1%.

연구 동기 및 목표

• LOFAR를 사용하여 고은하적 위도에서 ELAIS-N1 영역의 확산된 편광 전경 복사장을 특성화하기 위해.
• 재이온화 시대(이오르) 동안 우주론적 21cm 신호 탐지에 대한 편광 전경의 영향을 평가하기 위해.
• 복잡한 파라데이 깊이 구조를 가진 확산 복사장에서 RM-합성의 성능을 평가하기 위해.
• 편광된 확산 복사장으로 인한 기구적 유도 효과를 정량화하여, 이로 인해 EoR 신호가 위장되거나 가려질 수 있는지를 평가하기 위해.
• 저주파 편광 측정이 자기장이 있는 간성간 매질을 연구하는 데 있어 LOFAR로 가능하다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 저주파수(일般적으로 ~30–80 MHz)에서 ELAIS-N1 영역을 이미징하기 위해 LOFAR의 고대역 안테나를 사용하였다.
• 다양한 파라데이 깊이에서의 복사장을 분해하기 위해 RM-합성을 적용하였으며, -10에서 +13 rad m⁻²의 범위에서 구조를 해석하였다.
• 편광 세기와 밝기 온도를 측정하였으며, 영역 전반에서 평균적으로 약 ~4 K의 값을 얻었다.
• 이전 WSRT 및 GMRT 관측(350 MHz)과의 일치성을 평가하기 위해, 형태학적 및 강도 측면에서 LOFAR 결과와 비교하였다.
• 기구적 유도 영향을 평가하기 위해, 0.1–0.2%의 유도가 스튜어트 I에서 약 ~4–8 mK 수준의 오염 신호를 유도할 수 있음을 추정하였다.
• 스튜어트 I 이미지의 혼잡도 제한 노이즈를 줄이기 위해 SAGEcal을 사용하여 소스 제거를 수행하였으며, 이는 유도 분석을 위한 동적 범위 향상을 목적으로 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고은하적 위도에서 ELAIS-N1 영역의 확산된 편광 복사장의 형태학적 특성과 세기 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 WSRT로 350 MHz에서 관측된 것과 비교해, ELAIS-N1에서의 편광 복사장의 파라데이 깊이 구조는 어떻게 다른가?
• RQ3 편광된 확산 복사장으로 인한 기구적 유도가 스튜어트 I 파wer 스펙트럼에 얼마나 큰 영향을 미치며, 이는 우주론적 21cm 신호를 위장하거나 가리킬 수 있는가?
• RQ4 RM-합성이 LOFAR 대역에서 복잡하고 확장된 편광 복사장 특징을 효과적으로 해상할 수 있는가?
• RQ5 EoR 실험에서 유도를 수용 가능한 수준(<4–8 mK)으로 억제하기 위해 어느 정도의 기구적 편광 보정이 필요한가?

주요 결과

• ELAIS-N1 영역에서 -10에서 +13 rad m⁻²의 광범위한 파라데이 깊이 범위에 걸쳐 확산된 편광 복사장이 검출되었다.
• 검출된 편광 복사장의 평균 밝기 온도는 약 ~4 K로, 이전 WSRT 및 GMRT 관측에서 예상된 것보다 훨씬 높았다.
• LOFAR 데이터에서 관측된 형태학적 특징, 특히 북동부 및 동부의 줄무늬 패턴은 WSRT로 350 MHz에서 관측된 구조와 일치하는 경향이 있었지만, 신호 대 잡음비(S/N)와 범위 불일치로 인해 확실한 결론을 내리기 어려웠다.
• 수개의 K 수준의 복잡한 공간적 및 파라데이 깊이 구조를 가진 편광 복사장의 존재는 EoR 실험에 중대한 도전 과제를 제기한다.
• 편광된 확산 복사장으로 인한 기구적 유도는 스튜어트 I에서 약 ~4–8 mK 수준의 오염된 신호를 유도할 수 있으며, 이는 기대되는 우주론적 21cm 신호의 진폭과 유사하다.
• 현재 스튜어트 I 이미지의 노이즈 수준은 유도 임계치를 초과하고 있어, 혼잡도를 줄이고 동적 범위를 향상시키기 위해 추가적인 소스 제거 및 빔 모델링이 필요하다.