[论文解读] 21 cm observation of LSS at z~1 Instrument sensitivity and foreground subtraction

R. Ansari, J.E. Campagne+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 5被引用 45

一句话总结

本文提出，利用大孔径、多波束射电干涉仪进行21厘米强度映射，可在红移z ~ 1处探测大尺度结构中的重子声学振荡（BAO），从而对暗能量施加具有竞争力的约束。通过模拟仪器响应和一种前景消除方法，研究表明，一个拥有约400个波束的10000 m²阵列，可在3年内实现对暗能量状态方程参数w₀的12%精度，其成本远低于光学巡天，且性能相当。

ABSTRACT

Large Scale Structures (LSS) in the universe can be traced using the neutral atomic hydrogen HI through its 21cm emission. Such a 3D matter distribution map can be used to test the Cosmological model and to constrain the Dark Energy properties or its equation of state. A novel approach, called intensity mapping can be used to map the HI distribution, using radio interferometers with large instantaneous field of view and waveband. In this paper, we study the sensitivity of different radio interferometer configurations, or multi-beam instruments for the observation of large scale structures and BAO oscillations in 21cm and we discuss the problem of foreground removal. For each configuration, we determine instrument response by computing the (u,v) or Fourier angular frequency plane coverage using visibilities. The (u,v) plane response is the noise power spectrum, hence the instrument sensitivity for LSS P(k) measurement. We describe also a simple foreground subtraction method to separate LSS 21 cm signal from the foreground due to the galactic synchrotron and radio sources emission. We have computed the noise power spectrum for different instrument configuration as well as the extracted LSS power spectrum, after separation of 21cm-LSS signal from the foregrounds. We have also obtained the uncertainties on the Dark Energy parameters for an optimized 21 cm BAO survey. We show that a radio instrument with few hundred simultaneous beams and a collecting area of ~10000 m^2 will be able to detect BAO signal at redshift z ~ 1 and will be competitive with optical surveys.

研究动机与目标

• 评估射电干涉仪配置在红移z ~ 1处探测大尺度结构（LSS）21厘米发射线的灵敏度。
• 评估利用强度映射在21厘米功率谱中测量重子声学振荡（BAO）的可行性。
• 开发并测试一种前景消除方法，以从明亮的银河系同步辐射和射电源发射中分离出宇宙学21厘米信号。
• 估算21厘米强度映射巡天可实现的暗能量参数精度，并与光学巡天进行比较。

提出的方法

• 通过可见度在(u,v)-平面上的覆盖情况建模仪器响应，以计算噪声功率谱，从而确定对H I功率谱P(k)的灵敏度。
• 应用分量分离方法模拟前景消除，使用银河系同步辐射和河外射电源的真实天空模型。
• 从(u,v)-平面响应推导仪器传递函数，以建模对21厘米功率谱的有效测量。
• 使用Fisher矩阵分析预测宇宙学参数约束，结合BAO测量与Planck先验。
• 在三维功率谱重建中考虑红移空间畸变和角分辨率效应的影响。
• 将一个在一公顷面积内排列400个射电望远镜的紧凑阵列作为灵敏度与巡天效率的代表性配置进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个拥有数百个波束和约10,000 m²收集面积的射电干涉仪，能否在红移z ~ 1处探测到21厘米功率谱中的BAO特征？
• RQ2 不同射电干涉仪配置在(u,v)-平面上的覆盖情况如何影响噪声功率谱，从而影响对LSS的灵敏度？
• RQ3 在真实模拟中，一种简单的前景消除方法是否能成功地从银河系同步辐射和射电源前景中分离出宇宙学21厘米信号？
• RQ4 在3年内，21厘米强度映射巡天可实现对暗能量状态方程参数w₀和wa的多高精度？
• RQ5 与SDSS-III等光学巡天相比，21厘米BAO巡天在暗能量参数约束方面的性能如何？

主要发现

• 一个拥有约400个射电望远镜和约10,000 m²收集面积的紧凑干涉仪阵列，具备足够的灵敏度，在红移z ~ 1处探测到21厘米功率谱中的BAO特征。
• 该配置的3年巡天对暗能量参数w₀的不确定性为12%，对wa的不确定性为48%，信息量指标（Figure of Merit）为38。
• 通过(u,v)-平面覆盖建模的仪器响应，能准确预测噪声功率谱，从而确定对P(k)的灵敏度。
• 在仪器响应被充分表征的前提下，使用分量分离方法的前景消除技术在模拟中成功恢复了宇宙学21厘米信号。
• 21厘米BAO巡天与SDSS-III等光学巡天具有可比性，可在远低于其成本的情况下实现相当的暗能量约束。
• 该方法即使在存在真实前景污染的情况下，也能以小于10%的精度在约150 Mpc的共动长度上检测到BAO尺度，且对峰位置的定位精度良好。