[论文解读] The impact of Galactic synchrotron emission on CMB anisotropy measurements. I. Angular power spectrum analysis of total intensity all-sky surveys

L. La Porta, C. Burigana+2 more|ArXiv.org|Jan 3, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究利用408 MHz和1420 MHz的全天总强度图，分析银河系同步辐射发射的角功率谱（APS），通过减去明亮源以隔离弥漫发射。研究发现其幂律拟合的谱指数α ∈ [−3.0, −2.6]，推导出408–1420 MHz频段的谱指数β_(0.408–1.4 GHz) ∈ [−3.2, −2.9]，并表明将射电同步辐射APS外推至微波频段会低估约50%的污染，暗示自由-自由辐射或转动尘埃发射存在显著贡献。排除|b_gal| < 5°区域的天区掩膜可使前景涨落降低至70 GHz频段宇宙微波背景（CMB）信号水平的约50%。

ABSTRACT

Galactic foreground emission is a limiting factor for precise cosmic microwave background (CMB) anisotropy measurements. We perform an angular power spectrum analysis (APS) of all-sky total intensity maps at 408 MHz and 1420 MHz, which are dominated by synchrotron emission out of the Galactic plane. We subtract the brighter sources from the maps. We study the APS as a function of Galactic latitude by considering various cuts and as a function of sky position by dividing the sky into patches of about 15 deg x 15 deg in size. The APS of the Galactic radio diffuse synchrotron emission is best fitted by a power law, $C_{\ell} \sim k \ell^α$, with $α\in [-3.0,-2.6]$, where the lower values of $α$ typically correspond to the higher latitudes. Nevertheless, the analysis of the patches reveals that strong local variations exist. The mean APS for $\ell \in [20,40]$ is used to determine the mean spectral index between 408 MHz and 1420 MHz, which is then adopted to extrapolate the synchrotron APS results to the microwave range. A simple extrapolation to 23 GHz of the synchrotron emission APS found at 408 and 1420 MHz does not explain all the power in the WMAP synchrotron component even at middle/high Galactic latitudes. This suggests a significant microwave contribution (of about 50% of the signal) by other components such as free-free or spinning dust emission. The comparison between the extrapolated synchrotron APS and the CMB APS shows that a mask excluding the regions with $|b_{gal}| \lesssim 5^{\circ}$ would reduce the foreground fluctuations to about half of the cosmological ones at 70 GHz even at the lowest multipoles. We discuss the main implications of our analysis for the cosmological exploitation of microwave temperature anisotropy maps.

研究动机与目标

• 通过分析总强度的角功率谱（APS），改进对银河系同步辐射发射影响宇宙微波背景各向异性测量的估计。
• 利用408 MHz和1420 MHz的高分辨率全天图，表征同步辐射在天空中的空间和频率依赖行为。
• 确定408 MHz至1420 MHz频段间的谱指数，以实现向微波频段的准确外推。
• 评估CMB图中残余前景污染的程度，并评估天区掩膜在减少同步辐射涨落方面的有效性。
• 为即将开展的普朗克任务数据中的前景分离和宇宙学参数估计提供可靠基础。

提出的方法

• 对408 MHz和1420 MHz的总强度全天图进行角功率谱（APS）分析，这些图主要由弥漫银河系同步辐射发射主导。
• 从图中减去明亮点源，以隔离弥漫同步辐射发射，避免APS估计产生偏差。
• 通过不同天区切割分析APS随银纬的变化，通过将天球划分为∼15°×15°的区域，分析APS随天区位置的变化。
• 使用幂律模型拟合APS：C_ℓ ∝ kℓ^α，其中α为谱指数，针对不同天区区域确定k和α。
• 利用关系式C_ℓ(ν) ∝ ν^(-2β)计算408 MHz至1420 MHz频段间的频率谱指数β，并将APS外推至微波频段。
• 将外推的同步辐射APS与WMAP数据进行比较，评估天区掩膜（如|b_gal| < 5°）在降低前景污染相对于宇宙学信号水平方面的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系同步辐射发射在408 MHz和1420 MHz频段的总强度角功率谱在全天范围内如何分布？
• RQ2 同步辐射APS的谱指数α如何随银纬和天区位置变化？
• RQ3 408 MHz至1420 MHz频段间的频率谱指数β是多少？其外推至微波频段的精度如何？
• RQ4 外推的同步辐射发射在多大程度上能解释WMAP数据中观测到的微波前景？
• RQ5 天区掩膜（如排除银道面附近区域）在降低同步辐射污染相对于宇宙微波背景各向异性功率水平方面有多有效？

主要发现

• 银河系同步辐射发射的角功率谱最符合幂律形式C_ℓ ∝ kℓ^α，其中α ∈ [−3.0, −2.6]，且在更高银纬处观测到更陡的谱指数（更低的α）。
• 在408 MHz和1420 MHz频段，归一化振幅k_100 = k × 100^α之间存在强相关性，表明两频段间谱行为一致。
• 408–1420 MHz频段间的谱指数确定为β_(0.408–1.4 GHz) ∈ [−3.2, −2.9]，不确定度仅几个百分点，支持向微波频段的可靠外推。
• 将同步辐射APS从射电频段外推至微波频段（例如23 GHz）无法完全解释观测到的WMAP同步辐射成分，表明存在显著的其他成分贡献（约50%），如自由-自由辐射或转动尘埃发射。
• 排除|b_gal| < 5°区域的天区掩膜可使70 GHz频段的同步辐射涨落降低至宇宙微波背景各向异性功率水平的约一半，即使在低多极数（ℓ ≲ 40）也成立。
• 结果表明，尽管当前前景建模足以恢复宇宙微波背景各向异性图中的大部分宇宙学信息，但在普朗克任务时代，为实现原初非高斯性和极化功率谱的高精度检验，仍需改进前景分离方法。