[论文解读] NIKA 150 GHz polarization observations of the Crab nebula and its spectral energy distribution

A. Ritacco, J. F. Macías–Pérez+46 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 27

一句话总结

本论文利用IRAM 30米望远镜上的NIKA相机，首次对蟹状星云进行了高分辨率（18′′ FWHM）150 GHz偏振观测。研究重建了偏振度与偏振角的空间分布，确认在20–353 GHz频段内偏振角近乎恒定，为−87.7°±0.3°，并测得偏振谱指数βpol = −0.347 ± 0.026，与总辐射强度谱指数β = −0.323 ± 0.001一致，证实了同步辐射是主导辐射机制。

ABSTRACT

The Crab nebula is a supernova remnant exhibiting a highly polarized synchrotron radiation at radio and millimeter wavelengths. It is the brightest source in the microwave sky with an extension of 7 by 5 arcminutes and commonly used as a standard candle for any experiment which aims at measuring the polarization of the sky. Though its spectral energy distribution has been well characterized in total intensity, polarization data are still lacking at millimetre wavelengths. We report in this paper high resolution (18 arcsec FWHM) observations of the Crab nebula in total intensity and linear polarization at 150 GHz with the NIKA camera. NIKA, operated at the IRAM 30 m telescope from 2012 to 2015, is a camera made of Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKIDs) observing the sky at 150 and 260 GHz. From these observations we are able to reconstruct the spatial distribution of the polarization degree and angle of the Crab nebula, which is found to be compatible with previous observations at lower and higher frequencies. Averaging across the source and using other existing data sets we find that the Crab nebula polarization angle is consistent with being constant over a wide range of frequencies with a value of -87.7$^\circ$ +- 0.3 in Galactic coordinates. We also present the first estimation of the Crab nebula spectral energy distribution polarized flux in a wide frequency range: 30-353 GHz. Assuming a single power law emission model we find that the polarization spectral index $\beta_{pol}$ = - 0.347 +- 0.026 is compatible with the intensity spectral index $\beta$ = - 0.323 +- 0.001.

研究动机与目标

• 利用IRAM 30米望远镜上的NIKA相机，在150 GHz频段获得蟹状星云的高空间分辨率（18′′ FWHM）偏振观测。
• 重建毫米波段星云内偏振度与偏振角的空间分布。
• 表征蟹状星云在宽频带范围（30–353 GHz）内总辐射强度与偏振辐射的谱谱能量分布（SED）。
• 检验蟹状星云偏振角与谱指数在不同频率下的一致性，尤其评估其作为CMB校准标准的适用性。
• 评估现有数据集之间的差异，提升未来CMB实验偏振校准的准确性。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜上的NIKA相机，采用集总常数动能电感探测器（LEKIDs），在150 GHz频段进行观测。
• 生成Stokes I、Q和U图像，以推导星云内偏振度与偏振角。
• 将数据与WMAP（23–94 GHz）、XPOL（90 GHz）、Planck（30–353 GHz）、POLKA（345 GHz）及其他仪器的现有偏振测量结果结合。
• 采用卡方最小化法，对总辐射强度与偏振流量的SED拟合单一幂律模型，以确定谱指数β与βpol。
• 在最终通量与谱指数估计中，考虑了系统误差，包括绝对校准误差与源随时间的衰减。
• 分析各频段的偏振角以评估其恒定性，以银道坐标系为参考。

实验结果

研究问题

• RQ1 蟹状星云的偏振角在20–353 GHz频段内是否恒定，以满足其作为CMB校准标准的要求？
• RQ2 蟹状星云在毫米波与亚毫米波段的偏振辐射谱谱能量分布（SED）如何？
• RQ3 偏振谱指数βpol与总辐射强度谱指数β的比较结果如何？其一致性是否支持同步辐射机制？
• RQ4 在150 GHz频段，蟹状星云内偏振度与偏振角是否存在空间变化？与低频或高频观测结果相比如何？
• RQ5 高空间分辨率偏振测量中的系统不确定性有哪些？它们如何影响校准精度？

主要发现

• 蟹状星云的偏振角在20–353 GHz频段内保持恒定，其在银道坐标系中的值为−87.7°±0.3°。
• 偏振度在观测频带范围内恒定为6.95%±0.03%，表明辐射性质稳定。
• 测得偏振谱指数为βpol = −0.347 ± 0.026，与总辐射强度谱指数β = −0.323 ± 0.001在统计上一致。
• NIKA 150 GHz数据与总辐射强度和偏振流量SED的最佳拟合单一幂律模型一致，150 GHz处总通量密度为1010.2 ± 3.8 Jy。
• NIKA（150 GHz）与POLKA（345 GHz）的高分辨率观测显示，偏振角分别比平均值低约3°和5°，尽管由于系统误差，不确定性较大。
• 结果证实蟹状星云的辐射与单一相对论性电子群体产生的同步辐射一致，支持其作为CMB偏振实验标准校准源的适用性。