Le rôle de la polarisation dans les relevés à 21 cm

Role of polarization in 21cm surveys

• Auteur / Autrice : Zheng Zhang
• Direction : Martin Bucher, Nick Kaiser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kavilan Moodley, Ken Ganga
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philip Bull, Marta Spinelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmologie

Cartographie spatiale

Polarimétrie

Radioastronomie

Mots clés libres

Radioastronomie

Polarisation

Cartographie d'intensité HI

Radio astronomy

Polarization

21cm intensity mapping

Résumé

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation de la cartographie d'intensité (IM) à 21 cm comme sonde des grandes structures de l'Univers a connu un regain d'intérêt. La détection du signal à 21 cm est cependant difficile, car le signal extragalactique recherché est masqué par des avant-plans galactiques de trois à quatre ordres de grandeur plus brillants. L'avant-plan galactique étant spectralement lisse, il est théoriquement possible d'extraire le signal extragalactique recherché. Cependant, les systématiques instrumentales peuvent mélanger une partie de cet avant-plan spectralement lisse avec les composantes variant rapidement avec la fréquence pour qu'il soit confondu avec le signal extragalactique. La fuite de polarisation est l'un des défis les plus difficiles à relever car l'avant-plan fortement polarisé subit une rotation de Faraday lorsqu'il se propage dans le milieu interstellaire en présence du champ magnétique galactique. Bien que le signal cosmologique souhaité soit non polarisé, les observations radio étant basées sur la polarimétrie, une représentation inexacte des mesures de polarisation entraîne une fuite de l'avant-plan polarisé dans le signal. Les avant-plans polarisés avec une structure spectrale complexe compliquent l'élimination des avant-plans basée sur la régularité spectrale de l'avant-plan galactique. Dans cette thèse, nous considérons plusieurs aspects du rôle de la polarisation dans la cartographie d'intensité à 21 cm. Nous passons en revue les mesures de polarisation du ciel radio, nous formalisons la mesure du signal de tension en termes de la figure du champ lointain de l'antenne, et nous présentons un modèle de mesures de puissance polarisée. En utilisant l'approximation linéaire, nous décrivons le processus de mesure et d'analyse des données. Nous définissons des opérateurs de projection de données qui réalisent un compromis optimal entre plusieurs objectifs de réduction ou d'extraction de données, y compris le rejet de la polarisation, la réduction du bruit et la sélection et le masquaas de degrés de liberté spécifiques du faisceau. Nous proposons également une stratégie optimale d'extraction des composante I de Stokes. En introduisant des spectres de puissance a priori sur le ciel polarisé, nous montrons que trouver les modes appropriés dominés par Stokes I est une question d'intégration de la polarisation. Enfin, nous développons une figure de mérite pour quantifier l'impact d'une caractérisation inexacte et imprécise du faisceau et de sa complexité sur l'extraction de la carte d'intensité. En introduisant une description statistique des erreurs systématiques du faisceau, nous modélisons l'impact de la fuite de polarisation et du mélange de modes dans la reconstruction des composante I de Stokes. En utilisant des modèles statistiques du ciel et du bruit, nous évaluons le rapport signal/bruit (SNR) de chaque mode de Fourier avant et après la prise en compte de l'incertitude du faisceau. Une figure de mérite (FoM) est ensuite définie pour établis un classement les antennes en fonction du facteur par lequel le SNR total pour la détection d'un signal cosmologique est réduit après la prise en compte de l'erreur d'incertitude du faisceau.

The last decade has seen a surge of interest in using 21cm intensity mapping (IM) as a probe of the large-scale structure of the Universe. Detection of the 21cm signal is challenging, however, because the desired extragalactic signal is obscured by three to four orders of magnitude brighter Galactic foregrounds. Because the galactic foreground is spectrally smooth, it is theoretically possible to extract the desired extragalactic signal. However instrumental systematics can cause part of this spectrally smooth foreground to leak into components varying rapidly with frequency and thus be mistaken for an extragalactic signal. Polarization leakage is one of the most difficult challenges because the highly polarized foreground undergoes Faraday rotation as it propagates through the ISM in the presence of the galactic magnetic field. Although the desired cosmological signal itself is assumed unpolarized, since radio observations are based on polarimetry, an inaccurate representation of the polarization measurements leads to leakage of the polarized foreground into the signal. Polarized foregrounds with complex spectral structure would complicate foreground removal based on the spectral smoothness of the galactic foreground. In this thesis we consider several aspects of the role of polarization in 21cm intensity mapping. We review polarization measurements of the radio sky, formalize the measurement of the voltage signal in terms of the antenna far-field pattern, and present a model of polarized power measurements. Using the linear approximation, we describe the measurement and data analysis process. We define data projection operators that achieve the optimal compromise among multiple goals for data reduction or extraction, including polarization rejection, noise reduction and selection and avoidance of specific degrees of freedom of the beam. We also propose an optimal Stokes I extraction strategy. By introducing a priori power spectra over the polarized sky, we show that finding the appropriate Stokes I dominated modes is a matter of integrating out the polarization. Finally, we develop a figure-of-merit to quantify the impact of inaccurate and imprecise beam characterization and beam complexity on intensity map extraction. By introducing a statistical description of the beam systematics, we model the impact of polarization leakage and mode mixing in the Stokes I reconstruction. Using statistical models of the sky and the noise, we evaluate the signal-to-noise ratio (SNR) of each Fourier mode before and after accounting for beam uncertainty. A figure-of-merit (FoM) is then defined to rank reflector-feed systems according to the factor by which the total SNR for detecting a cosmological signal is reduced after accounting for beam uncertainty error.