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

David J. Moore, James Aguirre+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 50被引用 16

一句话总结

本研究基于PAPER的32元天线观测，首次对126 MHz（z=10.3）和164 MHz（z=7.66）的极化功率谱设定了上限，未发现极化辐射的明确检测结果。结果表明，极化泄漏对EoR 21 cm功率谱的影响可忽略不计——在k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹处低于100 mK²，这是由于本征极化分数较低以及电离层法拉第旋转导致的衰减作用。

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.

研究动机与目标

• 评估极化前景对宇宙再电离（EoR）期间21 cm功率谱测量的影响。
• 确定斯托克斯Q和U中的极化泄漏是否会在低红移处污染非极化EoR功率谱。
• 量化由于电离层法拉第旋转和RM涨落导致的极化辐射抑制程度。
• 评估现有EoR功率谱测量是否受到极化泄漏的影响，且其水平超过观测限值。

提出的方法

• 处理了PAPER 32元天线阵列在126 MHz（z=10.3）和164 MHz（z=7.66）连续三个月观测的斯托克斯I、Q、U和V功率谱。
• 应用了与先前非极化EoR研究相同的校准和功率谱估计流程（Parsons et al. 2014；Jacobs et al. 2015）。
• 利用波束卷积得到的比值ξ ≈ A₋/A₊来估计极化泄漏，其中A₊和A₋分别为同相与反相极化波束加权的功率贡献。
• 通过RM涨落建模电离层对极化辐射的衰减，显示抑制因子在2.5至16之间，具体取决于频率。
• 评估了非检测结果与低极化分数（150 MHz时p ≈ 0.006）及高频巡天中观测到的去极化趋势的一致性。
• 将预测的泄漏水平与先前PAPER结果中观测到的过剩功率进行比较，确认泄漏处于次要地位。

实验结果

研究问题

• RQ1 PAPER实验在126 MHz和164 MHz频段的极化功率谱上限是多少？
• RQ2 电离层法拉第旋转在多大程度上抑制了EoR实验中可探测的极化辐射？
• RQ3 低频段点源的本征极化分数与以往假设相比如何？其对泄漏的影响是什么？
• RQ4 斯托克斯Q和U中的极化泄漏能否解释先前非极化EoR功率谱测量中观测到的过剩功率？
• RQ5 观测到的极化辐射抑制是否与低频射电源中已知的去极化趋势一致？

主要发现

• 在126 MHz和164 MHz频段的斯托克斯Q和U中均未发现极化功率的明确检测，其上限在k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹处低于100 mK²。
• 非极化功率谱中极化泄漏的水平估计低于100 mK²（k∥ ~ 0.2 h Mpc⁻¹），远低于先前PAPER结果中观测到的过剩功率。
• 电离层RM涨落使线性极化辐射衰减2.5至16倍，具体取决于观测频率，显著抑制了可探测的极化信号。
• 150 MHz时极化分数p ≈ 0.006与B13中唯一检测到的极化源以及Asad et al. (2015)的近期去极化趋势一致。
• 本征极化分数低与电离层衰减的共同作用，使得极化泄漏在PAPER 32元天线阵列的灵敏度水平下对EoR测量可忽略不计。
• 结果支持了PAPER先前EoR功率谱测量的稳健性，因为极化泄漏无法解释k∥ > 0.15 h Mpc⁻¹频段中观测到的过剩功率。