Large-scale 21-cm Cosmology with LOFAR and AARTFAAC
Gehlot, Bharat Kumar
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Gehlot, B. K. (2019). Large-scale 21-cm Cosmology with LOFAR and AARTFAAC. University of Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Nederlandse Samenvatting
Algemene context
Het begrijpen van de vorming en de evolutie van het heelal en zijn constituen-ten is een van de grootste resterende puzzels in de moderne weconstituen-tenschap. In de loop van de tijd hebben technologische ontwikkelingen geholpen bij het bou-wen van geavanceerde telescopen en snelle computers, die worden gebruikt om nieuwe astrofysische verschijnselen te ontdekken en die stukje bij beetje deze puzzel helpen op te lossen. Verschillende telescopen op de grond en vanuit de ruimte hebben ons geholpen de astrofysica van het lokale universum beter te begrijpen en hebben sterk bewijs geleverd voor de oorsprong en de evolutie van het universum.
De ‘Big Bang’ theorie is in de astrofysica en kosmologie het meest algemeen aanvaarde model omtrent de vorming van het heelal. Volgens dit model begon het universum vanuit een singulariteit met een grote explosie, die ook wel de oerknal wordt genoemd. Het resulterende jonge universum was ondoorzichtig vanwege de interactie tussen materie (baryonen, d.w.z. deeltjes die gewone materie vormen) en straling (fotonen); vandaar dat straling zich niet ver kon verspreiden. Na∼ 380.000 jaren koelde het universum voldoende af, zodat ba-ryonen en fotonen niet langer werden gekoppeld en de straling kon ontsnappen naar de diepten van het universum. Hiedoor werd het universum grotendeels transparant. Deze reliek-straling kan worden geobserveerd in de vorm van de kosmische achtergrondstraling (‘cosmic microwave background’, or CMB) in het hedendaagse heelal.
Figuur 2 – Deze afbeelding toont 13,8 miljard jaar geschiedenis van het heelal. De
kleinere toegevoegde afbeeldingen tonen verschillende telescopen, namelijk Planck, NCLE, LOFAR, JWST en VLT die worden/zullen worden gebruikt om verschillende tijdperken in de geschiedenis van het heelal te onderzoeken. De achtergrondafbeelding is gebaseerd op de originele afbeeldingen van NAOJ.
sterren of sterrenstelsels, afgezien van de vervagende reliek-straling. Deze pe-riode in de geschiedenis van het universum staat bekend als de Dark Ages. Tijdens de Dark Ages accumuleerde neutraal waterstofgas in dichtere regio’s als gevolg van zwaartekrachtinstabiliteit. Uiteindelijk implodeerde dit gas en vormden de eerste sterren en sterrenstelsels zich, wat het begin van de ‘Cos-mic Dawn’ (CD) markeerde. De straling van de eerste lichtgevende objecten interageerde met het neutrale waterstofgas in het omringende interstellaire en intergalactische medium. De straling verwarmde en ioniseerde 3 vervolgens het waterstofgas tijdens een tijdperk genaamd het ‘Epoch of Reionization’ (EoR). Ons huidige begrip van de Dark Ages, Cosmic Dawn en Reïonisatie is voornamelijk gebaseerd op indirecte observaties, afgezien van detecties van enkele zeldzame objecten. Er zijn verschillende belangrijke vragen over deze tijdperken die onbeantwoord blijven, waardoor er een hiaat in onze huidige kennis bestaat omtrent het universum, bijvoorbeeld Wat was de exacte timing en duur van deze tijdperken? Wanneer hebben de eerste sterren zich gevormd en wat waren hun eigenschappen (bijvoorbeeld hun grootte, massa, helderheid)? Wat waren de eigenschappen van deze eerste sterrenstelsels, zoals hun grootte, massa, type en morfologie?. Het is van cruciaal belang om deze tijdperken rechtstreeks te observeren om op deze manier uitgebreide kennis te vergaren over de aard van de eerste lichtbronnen in het universum en hun interactie 3 Ionisatie is een proces waarbij een atoom een positieve of negatieve lading krijgt door
met het omgevende medium. Figuur 2 toont de tijdlijn van het universum en de instrumenten die de verschillende tijdperken in de geschiedenis van het heelal onderzoeken.
21-cm Kosmologie experimenten
Waterstof is het meest voorkomende element in het universum en omvat on-geveer 75% van alle baryonische materie. Een waterstofatoom heeft in zijn neutrale toestand een unieke eigenschap die de ‘hyperfijne’ overgang (‘hyper-fine transition’) wordt genoemd. Deze overgang treedt op als een gevolg van veranderingen in de opstelling van de twee spins van, respectievelijk, het pro-ton en het elektron in de atoom door een fopro-ton met een frequentie van ongeveer 1.4 GHz (dat wil zeggen, een golflengte van 21 cm) te absorberen of uit te zen-den. Dit spectrale kenmerk staat ook bekend als de ‘21 cm-lijn’. Deze lijn werd voor het eerst voorspeld door de Nederlandse astronoom Hendrik van de Hulst in 1944 en werd vervolgens gedetecteerd in observaties van de Melkweg in 1951.
Omdat het jonge universum gevuld was met neutrale waterstof is de 21cm-lijn, in emissie of absorptie, een uitstekende sondering van de fysieke condities van het heelal gedurende deze vroege tijdperken van het universum. Vanwege de uitzetting van het universum wordt de golflengte van de 21 cm-lijn verder opgerekt (‘roodverschoven’). In het huidige universum is de golflengte van de roodverschoven 21 cm-straling van de Dark Ages, CD en de EoR enkele meters met een overeenkomstige frequentie draagwijdte van ongeveer 50 tot 200 MHz. Elke frequentie in dit bereik komt overeen met een ander tijdvak in het jonge universum. Het waarnemen van de roodverschoven 21 cm-straling bij verschil-lende golflengten maakt het mogelijk om een driedimensionale weergave van het zich ontwikkelende universum te construeren.
Over de hele wereld worden verschillende observationele pogingen gedaan (en gepland) om het roodverschoven 21 cm-signaal van de CD en EoR te meten. Deze ‘21-cm experimenten’ kunnen grofweg worden onderverdeeld in twee ca-tegorieën: globale experimenten en power spectrum experimenten. De globale experimenten zijn gericht op het bestuderen van de globale (gemiddelde) ei-genschappen van het jonge universum en hoe deze eiei-genschappen evolueren met de kosmische tijd. Deze experimenten maken gebruik van relatief een-voudige instrumenten zoals bijvoorbeeld enkele dipolen, die op een bepaald moment bijna de gehele hemel tegelijk kunnen waarnemen. Power spectrum experimenten richten zich op het meten van de ruimtelijke variaties in het 21 cm-signaal. Power spectrum-proeven vereisen veel grotere en gevoeligere instrumenten, zoals bijvoorbeeld grote arrays van radio-ontvangers (‘interfe-rometers’).
de elektromagnetische straling die daar doorheen komt. Kunstmatige stoor-bronnen (‘radio frequency interference’, RFI) die door de mens zijn gemaakt zoals televisie-ontvangers, FM-radio, satellietcommunicatie enz. vervuilen bo-vendien eveneens het verwachte signaal. Al deze verontreinigingen maken het een uiterst uitdagende taak om het 21 cm-signaal te detecteren. Zelfs de meest gevoelige telescopen vereisen op dit moment duizenden uren hemelop-name, precieze signaalcorrecties (‘kalibratie’) van de telescoop en nauwkeurige verwijdering van deze verontreinigingen om het signaal te detecteren.
21-cm Kosmologie met LOFAR en AARTFAAC
LOFAR (Low Frequency ARray) is een nieuwe generatie radiotelescoop (inter-ferometer). Deze radiotelescoop is gebouwd in Nederland. LOFAR is ontwor-pen om de lucht tussen een frequentiebereik van 30-200 MHz te observeren. Door zijn unieke ontwerp is de LOFAR-telescoop zeer gevoelig en kan hij het roodverschoven 21 cm-signaal van het vroege heelal meten. Het hoofddoel van het LOFAR-EoR project is om het power spectrum van het roodverschoven 21 cm-signaal van de EoR te meten. Het LOFAR-EoR-onderzoeksteam werkt aan het begrijpen van observationele uitdagingen en signaalverontreinigingen, zoals voorgronden, ionosferische effecten, RFI, gegevensverwerking en uitdagingen in de analyse van zulke data. Het uiteindelijke doel van het team is om het zwakke kosmologische signaal te detecteren. Daarnaast is het LOFAR-EoR-team ook begonnen met een langdurig observatieprogramma, AARTFAAC Cosmic Explorer (ACE) genaamd, met behulp van de AARTFAAC-telescoop. AARTFAAC (Amsterdam-ASTRON Radio Transients Facility And Analysis Centre) is een op LOFAR gebaseerde telescoop die in staat is om de volledige hemel te observeren in plaats van zich te beperken tot een klein deel hiervan, terwijl deze telescoop dezelfde gevoeligheid als LOFAR behoudt. Deze eigen-schap maakt AARTFAAC een geschikt instrument voor het meten van groot-schalige ruimtelijke variaties in het roodverschoven 21 cm-signaal. Het werk dat ik in dit proefschrift presenteer, richt zich voornamelijk op het begrijpen van de observationele uitdagingen tijdens 21-cm Cosmic Dawn experimenten zoals LOFAR en ACE en hun implicaties voor de volgende generatie telescopen zoals de Square Kilometre Array (SKA), de Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) en NENUFAR die zich ook richten op het waarnemen van het roodverschoven 21 cm-signaal uit het CD-tijdperk.
Dit proefschrift
In hoofdstuk 2 bespreek ik een aantal observationele uitdagingen tijdens Cos-mic Dawn experimenten met behulp van LOFAR Low Band Antenna (LBA) waarnemingen van een gebied in de lucht. De vervuilingseffecten worden ern-stiger bij ‘lagere frequenties’ en moeten worden verwijderd of verminderd om het roodverschoven 21 cm-signaal te detecteren. Ik gebruik verschillende sta-tistische technieken om deze vervuilingseffecten te kwantificeren en stel ver-schillende methoden voor om deze effecten te verwijderen en/of deze te om-zeilen.
In hoofdstuk 3 presenteer ik een uniek schema om te kalibreren 4 de twee he-melgebieden worden gelijktijdig met LOFAR-LBA waargenomen. Daarnaast implementeer ik de lessen uit hoofdstuk 2 om de kwaliteit van gegevensver-werking en analyse te verbeteren. Ik demonstreer ook het gebruik van een techniek om voorgronden uit waargenomen data te verwijderen die ‘Gaussian Process Regression’ wordt genoemd. Ten slotte meet ik het power spectrum van het 21 cm-signaal uit de verwerkte gegevens en ontdek ik dat het zwakke 21 cm-signaal van de Cosmic Dawn een amplitude van minder dan 14 Kelvin heeft.
In hoofdstuk 4 presenteer ik de eerste resultaten van de gegevens die zijn waargenomen in het ACE-programma. Ik demonstreer het end-to-end gebruik van de LOFAR-gegevensverwerkings pijplijn aan de hand van 6 uur aan ACE-data. ACE observeert de lucht in een speciale modus die verschilt van LOFAR. Daarom presenteer ik een aangepaste methodologie om dergelijke gegevens te verwerken en te analyseren. Uit de eerste resultaten concludeer ik dat ACE het potentieel heeft om het 21 cm-signaal van de Cosmic Dawn te detecteren, op voorwaarde dat de observationele uitdagingen worden gematigd en/of omzeild. In hoofdstuk 5 presenteer ik de eerste beelden van de High Band Antenna (HBA) modus van het AARTFAAC-systeem. Ik ontdek dat de met AART-FAAC HBA geproduceerde beelden worden gedomineerd door de diffuse stra-ling die wordt uitgezonden door elektronen die versnellen in een magnetisch veld (‘synchrotron straling’). Ik presenteer twee technieken om de compacte bronnen en deze diffuse straling te modelleren en liet zien hoe ze met elkaar kunnen worden vergeleken. Ik concludeer dat een hybride benadering die deze twee technieken combineert nodig is om een nauwkeurigere weergave van de lucht te produceren. Dit zal op zijn beurt helpen om de kwaliteit van het kalibratieproces te verbeteren.
Hoewel het 21 cm-signaal nog steeds ongrijpbaar blijft, zullen de technieken die 4 kalibratie verwijst naar het proces van het vaststellen van de waarde van een onbekende
