[论文解读] A Wideband Polarization Survey of the Extragalactic Sky at 2-4 GHz: A Science White Paper for the VLA Sky Survey

Sui Ann Mao, Julie Banfield+24 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2014

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 8

一句话总结

本白皮书提出利用升级后的甚大阵列（VLA）在2–4 GHz频段开展宽频带偏振巡天，对河外天空进行观测，通过法拉第旋转和去偏振分析，绘制活动星系核（AGNs）、星系及吸收线系统中磁离子介质的分布图。通过结合宽频带光谱偏振测量与RM合成技术，并辅以先进建模方法，该研究可探测超过22万个偏振源，解析法拉第结构中的混淆问题，推动对宇宙磁场及源演化机制的理解。

ABSTRACT

A VLA Sky Survey of the extragalactic sky at S band (2-4 GHz) with polarization information can uniquely probe the magneto-ionic medium in a wide range of astrophysical environments over cosmic time. For a shallow all-sky survey, we expect to detect over 4 million sources in total intensity $>$ 0.45 mJy beam$^{-1}$ and over 2.2$ imes$10$^5$ sources in polarized intensity. With these new observations, we expect to discover new classes of polarized radio sources in very turbulent astrophysical environments and those with extreme values of Faraday depth. Moreover, by determining reliable Faraday depths and by modeling depolarization effects, we can derive properties of the magneto-ionic medium associated with AGNs, absorption line systems and galaxies, addressing the following unresolved questions: (1) What is the covering fraction, the degree of turbulence and the origin of absorption line systems? (2) What is the thermal content in AGNs and radio galaxies? (3) How do AGNs and galaxies evolve over cosmic time? (4) What causes the increase in percentage polarization with decreasing flux densities at the low flux density end of the polarized source count? (5) What is the growth rate of large-scale magnetic fields in galaxies?

研究动机与目标

• 通过测量法拉第深度和去偏振效应，解决关于吸收线系统起源、湍流特性及覆盖分数的未解问题。
• 确定活动星系核（AGNs）和射电星系在宇宙时空中热含量及磁场演化的特征。
• 通过宽频带偏振测量，探究低通量密度下百分比偏振度增加的原因。
• 利用未resolved源的统计分析，测量星系中大尺度磁场的增长速率。
• 通过在2–4 GHz频段观测，实现对低频段发生去偏振源的探测，从而最小化波长相关的去偏振效应。

提出的方法

• 利用升级后的贾恩斯基VLA的WIDAR相关器，在2–4 GHz频段进行宽频带偏振测量，实现高动态范围和高光谱分辨率。
• 对Q/I和U/I谱应用RM合成，生成‘脏’法拉第色散函数（FDF），并卷积RM展宽函数（RMSF）。
• 采用CLEAN算法对复杂FDF进行去卷积，提取峰值偏振强度、偏振位置角及旋转量（RM）。
• 使用最大似然法对Q/I和U/I谱拟合代表性的法拉第厚屏模型，以解析多个法拉第组分。
• 利用POSSUM处理流程进行源检测与校准，采用Aegean算法进行源搜寻与稳健噪声估计。
• 实现基于Web的SQL接口，用于星表可视化及偏振源子集的质量控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际与星系际介质中吸收线系统的覆盖分数、湍流程度及起源为何？
• RQ2 活动星系核和射电星系中的热含量与磁场结构如何？其随宇宙时空中如何演化？
• RQ3 为何河外源在低通量密度下百分比偏振度增加？去偏振机制在此过程中起何作用？
• RQ4 星系中大尺度磁场的增长速率如何？磁场特性如何随红移演化？
• RQ5 宽频带偏振测量如何解析复杂法拉第结构中不同去偏振机制之间的混淆问题？

主要发现

• 该巡天预计将在总强度上探测到超过400万个源（>0.45 mJy beam⁻¹），并在偏振强度上探测到超过22万个源。
• 在2–4 GHz频段的宽频带光谱偏振测量可解析窄带数据无法区分的法拉第旋转与去偏振效应之间的混淆。
• 直接对Q/I和U/I谱按λ²函数进行拟合，相比仅使用RM合成，能更可靠地确定真实的法拉第结构。
• 在2–4 GHz频段，未解析星系中的去偏振趋势可编码湍流小尺度磁场信息，从而实现对宇宙时空中磁场演化的统计研究。
• 由于S波段中波长相关去偏振效应减弱，该巡天可实现对低频段发生去偏振源的探测。
• 对法拉第深度与去偏振效应的建模将检验内部法拉第色散假说，并约束星系中磁场放大时间尺度。