[论文解读] Interpretation of the Extragalactic Radio Background

M. D. Seiffert, D. J. Fixsen+9 more|ArXiv.org|Jan 5, 2009

Astronomical Observations and Instrumentation被引用 19

一句话总结

本文分析了 ARCADE 2 及其互补巡天的绝对射电天空测量数据，以约束河外射电辐射。研究发现，在宇宙微波背景辐射（CMB）和已知离散射电源之外存在显著的剩余信号，其最佳拟合为幂律谱，1 GHz 处的幅度为 1.06±0.11 K，谱指数为 −2.56±0.04，同时对 CMB 光谱畸变的 2σ 上限为 μ < 5.8×10⁻⁵ 和 |Y_ff| < 6.2×10⁻⁵。

ABSTRACT

We use absolutely calibrated data between 3 and 90 GHz from the 2006 balloon flight of the ARCADE 2 instrument, along with previous measurements at other frequencies, to constrain models of extragalactic emission. Such emission is a combination of the Cosmic Microwave Background (CMB) monopole, Galactic foreground emission, the integrated contribution of radio emission from external galaxies, any spectral distortions present in the CMB, and any other extragalactic source. After removal of estimates of foreground emission from our own Galaxy, and the estimated contribution of external galaxies, we present fits to a combination of the flat-spectrum CMB and potential spectral distortions in the CMB. We find 2 sigma upper limits to CMB spectral distortions of mu &lt; 5.8 x 10^{-5} and Y_ff &lt; 6.2 x 10^{-5}. We also find a significant detection of a residual signal beyond that which can be explained by the CMB plus the integrated radio emission from galaxies estimated from existing surveys. After subtraction of an estimate of the contribution of discrete radio sources, this unexplained signal is consistent with extragalactic emission in the form of a power law with amplitude 1.06 \pm 0.11 K at 1 GHz and a spectral index of -2.56 \pm 0.04.

研究动机与目标

• 识别并量化未被 CMB 或已知离散射电源解释的各向同性河外射电辐射。
• 改进对宇宙微波背景（CMB）光谱畸变（特别是 μ 和 Y_ff 畸变）的约束。
• 评估过剩辐射信号对银河系前景和仪器效应引起的系统误差的稳健性。
• 评估过剩辐射是否可由尚未探测到的微弱射电源群体或其它天体物理机制解释。

提出的方法

• 获取 ARCADE 2（3–90 GHz）、FIRAS（1–1000 μm）以及低频地面巡天（例如 22 MHz 至 1.42 GHz）的绝对校准天空测量数据。
• 利用两种独立方法沿多条银道线减去基于模型的银河系前景发射估计值。
• 通过使用现有巡天（例如 8.4 GHz Fomalont 等 2002 年研究）的源密度计数，校正离散射电源的总贡献。
• 将剩余天空信号拟合为 CMB 黑体谱与幂律成分的组合，其中幅度和谱指数为自由参数。
• 通过将 μ 和 Y_ff 作为额外拟合参数，推导出 2σ 上限，从而约束光谱畸变。
• 通过在多个数据子集（例如 ARCADE 2 + FIRAS、ARCADE 2 + 低频数据）中测试检测结果，验证结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在无法由 CMB 或已知离散射电源解释的各向同性河外射电辐射？
• RQ2 观测到的过剩辐射是否可由标准 CMB 光谱畸变（μ 或 Y_ff）解释？
• RQ3 未解释的剩余辐射的谱形和幅度为何？
• RQ4 该过剩辐射的检测对银河系前景建模和仪器系统误差的不确定性有多稳健？
• RQ5 该过剩辐射是否可能源于当前巡天通量极限以下的未探测到的微弱射电源群体？

主要发现

• 在 3 GHz 处检测到显著的剩余射电信号，其强度超过 CMB 和已知离散源贡献之和。
• 未解释的辐射最佳拟合为幂律谱，1 GHz 处的幅度为 1.06±0.11 K，谱指数为 −2.56±0.04。
• 过剩辐射的谱指数明显比与星系形成活动相关的微弱、弥散射电源预期的 −2.7 指数更平坦。
• 对 CMB 光谱畸变的 2σ 上限为 μ < 5.8×10⁻⁵ 和 |Y_ff| < 6.2×10⁻⁵，优于以往基于 FIRAS 的限制。
• 使用任意两组三组数据子集（ARCADE 2 + FIRAS、ARCADE 2 + 低频数据、FIRAS + 低频数据）时，过剩辐射在 3σ 以上显著检测到。
• 若由未探测到的源群体解释该辐射，则其表面密度需超过每平方弧分 1100 个源（在 0.75 μJy 通量密度处），远超基于已知源密度计数外推的预期值（超过 100 倍）。