Quelques sujets en cosmologie à 21-cm : modèles d’avant plans et leur soustraction, reconstruction de cartes pour les interféromètres à grand champ de vue et l’analyse des données de PAON-4

Topics in 21-cm cosmology : foreground models and their subtraction, map reconstruction for wide field of view interferometers and PAON-4 data analysis

• Auteur / Autrice : Qizhi Huang
• Direction : Mohammed Reza Ansari Foumani, Xuelei Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astroparticules et cosmologie
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec University of Chinese academy of sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019) - National Astronomical Observatories of China
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Cavalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Reza Ansari Foumani, Xuelei Chen, Fabien Cavalier, Yannick Giraud-Héraud, Yi Mao, Jean-Michel Martin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick Giraud-Héraud, Yi Mao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Interférométrie

Énergie sombre (astronomie)

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Énergie noire

Emission 21cm (HI)

Interférométrie radio

Cosmology

Dark energy

21cm emission (HI)

Radio interferometry

Résumé

Certains aspects de l'extraction du signal cosmologique à 21 cm à partir des observations radio, ainsi que le traitement des données interférométriques pour des observations depuis le sol et depuis l'espace ont été étudiés et sont présentés dans cette thèse. J'ai développé un modèle cohérent et à haute résolution du ciel en radio, qui peut fournir une carte complète et précise du ciel, dans la gamme de fréquence 10 MHz à 2,3 GHz, avec une résolution pouvant atteindre une minute d'arc. Le modèle inclut plusieurs sources de rayonnement diffus, en particulier le synchrotron Galactique, les sources radio brillantes du ciel, ainsi qu'un modèle des sources faibles. J'ai également mis au point une méthode pour extraire le signal 21 cm cosmologique, fortement contaminé par les émissions d'avant-plan et le bruit des récepteurs. La méthode utilise une cascade de deux filtres de Wiener, dans l'espace des fréquences d'abord, et ensuite, dans le domaine angulaire. Le premier filtre exploite les variations lentes des émissions d'avant-plan selon la fréquence, tandis que le second filtre exploite les corrélations angulaires du signal cosmologique pour filtrer le bruit des récepteurs, considéré non corrélé entre deux directions différentes. J'ai développé un nouvel algorithme d'imagerie pour les interféromètres en orbite lunaire. Un tel instrument serait idéal pour cartographier le ciel en dessous de 30 MHz; il ne serait en effet pas soumis aux perturbations ionosphériques et serait protégé des interférences électromagnétiques dues aux émissions terrestres. J'ai montré que l'utilisation de la précession du plan orbital du satellite permet de résoudre le problème de la symétrie miroir. La méthode exploite la relation de projection linéaire entre la carte du ciel et les visibilités mesurées, tant dans l'espace angulaire que dans l'espace des harmoniques sphériques pour reconstruire la carte du ciel. L'algorithme d'imagerie gère la complication due à l'ombre de la Lune se déplaçant avec le temps sur le champ de vue des antennes couvrant tout le ciel. Notons que ces effets ne sont pas pris en charge par les algorithmes d'imagerie existants tels que la W-Projection et la WStacking. Enfin, j'ai effectué une première analyse des données de l'interféromètre de transit PAON-4. J'ai évalué la performance globale du réseau en termes de température de bruit et de la réponse des antennes. J'ai pu étalonner avec succès les visibilités, en déterminant à la fois l'amplitude et la phase des termes de gain complexes, tout en corrigeant les décalages de pointage des antennes de PAON4. J'ai ensuite reconstruit la carte du ciel pour une bande de 10 degrés autour de la déclinaison de la source brillante Cygnus A, à partir du flot de données PAON-4 calibré et nettoyé, en appliquant l'algorithme de décomposition en mode m dans l'espace des harmoniques sphériques.

Some aspects of extracting cosmological 21cm signal from radio observations, as well as processing of interferometric data for ground based or space born instruments have been studied and discussed in this dissertation. I have developed a high-resolution self-consistent radio whole sky model, which provides an accurate full sky maps in the frequency range from 10 MHz to 2.3 GHz, with angular resolution up to 1 arcmin. It includes bright and faint radio sources, Galactic synchrotron and Galactic freefree emissions. I have also developed a method to extract the faint cosmological 21-cm signal, heavily contaminated by foreground emissions and receiver noise. The method uses a cascade of two Wiener filters, in frequency domain and then, in angular domain. The first filter exploits the smoothness of the foreground emissions along the frequency, while the second filter exploits the angular correlations of the cosmological signal, due to the receiver noise is considered to be nearly uncorrelated between different directions. I have developed a studied the performance of a new imaging algorithm for lunar orbit interferometers. Such an instrument would be ideal for mapping the radio sky below 30 MHz, as it would be free from ionospheric perturbations, as well as electromagnetic interferences due to terrestrial emissions. I have shown that we make use of the precession of satellite orbital plane to solve the mirror symmetry problem, and exploit the linear mapping between the sky map and the measured visibilities, both in angular space and spherical harmonic space to reconstruct the sky map. The imaging algorithm handles the time-varying Moon's blockage over the whole sky field of view, which are not handled by existing imaging algorithms such as the WProjection and the W-Stacking. Finally, I have carried out a first analysis of the observational visibility data from the PAON-4 transit interferometer. I have evaluated the overall performance of the array in terms of system temperature and antenna response, and successfully calibrated the visibilities, determining both amplitude and phase of the complex gain terms, while correcting PAON-4 antennae pointing offsets. I have then reconstructed the sky map for a 10 degree strip around Cygnus A declination, from the cleaned calibrated PAON-4 data streams, applying the m-mode decomposition map-making algorithm in spherical harmonic space.