Map making from transit interferometers observations for 21cm Intensity Mapping experiments : Application to Tianlai and PAON-4

par Jiao Zhang

Thèse de doctorat en Astroparticules et cosmologie

Sous la direction de Mohammed Reza Ansari Foumani et de Xuelei Chen.

Le président du jury était Achille Stocchi.

Le jury était composé de Mohammed Reza Ansari Foumani, Xuelei Chen, Achille Stocchi, Martin Bucher, TongJie Zhang, Steve Torchinsky.

Les rapporteurs étaient Martin Bucher, TongJie Zhang.

  • Titre traduit

    Reconstruction de cartes à partir des observations d'interféromètres radio en mode transit pour les expériences de cartographie d'intensité à 21 cm : application à Tianlai et PAON-4


  • Résumé

    L'analyse des propriétés statistiques de la distribution de la matière dans le cosmos (Grandes Structures, LSS or Large Scale Structure) est l'une des principales sondes cosmologiques qui permettent l'étude du modèle standard cosmologique, en particulier les paramètres caractérisant la matière noire et l'énergie noire. Les Oscillations Acoustiques Baryoniques (BAO's) sont l'une des mesures qui peuvent être extraites de l'étude de la distribution de matière à grande échelle (LSS).L'observation de la distribution cosmique de la matière à partir de l'émission à 21 cm de l'hydrogène atomique neutre (HI) est une nouvelle méthode, complémentaire des relevés optiques pour cartographier la distribution de la matière dans le cosmos. La méthode de cartographie d'intensité (Intensity Mapping) a été proposée depuis moins d'une dizaine d'années comme une méthode efficace pour cartographier en trois dimensions l'émission radio à 21 cm. Elle n'implique en particulier pas la détection des objets individuels (galaxies), et peut donc être effectué avec des instruments plus modestes en taille que ceux comme SKA ou FAST qui sont conçus pour détecter les galaxies à 21 cm à des distances cosmologiques. Des interféromètres radio utilisant un ensemble de réflecteurs cylindriques ou paraboliques fixes, observant le ciel en mode transit sont adaptés à la cartographie d'intensité. Le mode d'observation spécifique de ce type de radio télescope en cartographie d'intensité est étudié dans le cadre de ce travail de thèse. On montre en particulier qu'une méthode spécifique de reconstruction des cartes du ciel à partir des visibilités peut être appliquée aux observations de ces interféromètres fonctionnant en mode transit. Cette méthode correspond à la décomposition en modes m des harmoniques sphériques et est très performante pour la reconstruction de grandes zones du ciel observées en mode transit. Un code de reconstruction fondé sur ce principe a été développé, ainsi que différents critères de comparaison des performances instrumentales, comme le lobe d'antenne synthétisé, le spectre de bruit sur les cartes reconstruites et la réponse globale de l'instrument dans le plan (l,m) des harmoniques sphériques. La méthode a été appliquée à différentes configurations des interféromètres composés de réflecteurs paraboliques ou cylindriques dans le cadre des projets PAON-4 et Tianlai. Outre l'optimisation des configurations des interféromètres Tianlai et PAON-4, le travail présenté inclut une première application de la méthode aux données PAON-4.


  • Résumé

    The analysis of the statistical properties of the distribution of matter in the cosmos (LSS or Large Scale Structure) is one of the main cosmological probes that allow the study of the cosmological standard model, in particular the parameters characterizing dark matter and dark energy. Baryonic Acoustic Oscillations (BAO's) are one of the measurements that can be extracted from the study of matter distribution in large-scale structure (LSS).The observation of the cosmic distribution of the matter from neutral atomic hydrogen (HI) 21 cm emission is a new method, complementary to the optical observation to map the distribution of matter in the cosmos. In the last decade, the Intensity Mapping method has been proposed as an effective method for mapping the 21cm radio emission in three dimensions. In particular, it does not require the detection of individual objects (galaxies), and can therefore be performed with instruments smaller in size than those such as SKA or FAST, which are designed to detect 21 cm galaxies at cosmological distances. A radio interferometer using a set of fixed cylindrical or parabolic reflectors observing the sky in transit mode are suitable instruments for intensity mapping surveys. The specific observational mode from this type of radio telescope by intensity mapping is studied in the context of this thesis. We show in particular that a specific sky maps reconstruction method from the visibilities can be applied to the observations of these interferometers operating in transit mode. This method corresponds to the m-modes decomposition of the spherical harmonics and is very efficient for the reconstruction of large sky areas observed in transit mode. A reconstruction code based on this principle has been developed, as well as different criteria for the comparison of instrumental performances, such as the synthesized antenna lobe, the noise spectrum of the reconstructed maps and the overall instrument response in the spherical harmonics (l,m) plane. The method has then been applied to different configurations of interferometers composed of parabolic or cylindrical reflectors in the PAON-4 and Tianlai projects. In addition to optimizing the Tianlai and PAON-4 interferometer configurations, the work presented here includes a first application of the method to the PAON-4 data.


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