submillimetre astronomy - helsinki

21
Submillimetre astronomy                                  Feb 17 11            Submillimetre continuum                        observations                   

Upload: others

Post on 02-May-2022

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

                                 Feb 17 11

           Submillimetre continuum 

                       observations 

                  

Page 2: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Heterodyne receivers conserve the phase information of the incoming radiation. Thus it is possible to observe the intensity of the incoming radiation as a function of frequency (spectrum). The bandwidth of the heterodyne receivers is typically 1 GHz to 8 GHz.

   Incoherent detectors (bolometers) record the intensity of the incoming radiation in the detection band which is typically tens of GHz wide. 

Page 3: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   

   Bolometer observations are very sensitive to 1/f noise.  Besides to the sky  also the bolometer amplifiers cause 1/f noise. 

   In classical bolometers this problem has been solved using a chopper mirror (1 element bolometers) or using wobling secondary mirrors (array bolometers).  Chopping (wobling) is done with about 2Hz which is faster than 1/f noise.

Page 4: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy  White noise

  (zero mean, Gaussian distribution)

  1/f noise 

Page 5: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   The observed Flux density as a function of time in a single bolometer (Laboca) channel. Only the variable part is shown and the total power offset is stored elsewhere. This is not white noise!  

Page 6: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   A chopper mirror is used when observing with a single 

channel bolometer,  wobling with the secondary with bolometer arrays. Wobling can be done at 2Hz, chopping faster.

   Chopping or wobling allows to sample the high frequency spatial signal but the total power at the input is not modulated and is subject to 1/f noise.

   Solution: Block the DC part of the signal (ie. the total power) and let only the AC part (the modulated signal) through  (DC biased and AC coupled).  In effect throw away the total power information! 

Page 7: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Besides the noise from the sky bolometers are subject to thermal noise in the bolometer element. This is suppressed by cooling the detector using 

● Liquid nitrogen (~70K)

● Liquid He2 (~1.5K in vacuum)

● He3 fridge (~0.3K)

Page 8: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   NEP (Noise equivalent power) or NEFD (noise equivalent flux density) is the incident rms of signal  power which produces signal to noise ratio  (S/N) equal to 1. If the source temperature Ts is  high enough that the Rayleigh­Jeans approximation holds the incident power is 

   where k is Boltzmans constant,         is the band width and 2 appears because of  two orthogonal polarizations.

Page 9: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   The resulting S/N is

   where       is the integration time. Direct  refers to direct (blometer) detection. The unit of NEP is

   W/Hz½.  In reality this equation is over simplification but it reflects correctly the actual situation. e.g. R­J approximation is certainly not valid at 10K­20K source  temperatures in the submillimetre region.

 

    

t

Page 10: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Point sources can be observed by keeping the telescope pointed at the source and chopping or wobling. 

   Extended sources are observed in the OTF mode. The scanning and chopping/wobling is done in azimuth.  In the time line the source will appear first as a positive signal and later as a negative signal when it is in the off­beam. A special algorithm was developed to recover the source structure. Problem, possible artifacts.  

Page 11: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   A large map of the L183 cloud. IRAM MAMBO

   1.2mm array.

   (Kauffmann et al. 2008,  A&A 487, 993).

   Artifacts from using the wobler are clearly seen   

Page 12: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Modern electronics allows AC biased, DC coupled bolometers. The signal is modulated with the AC bias. Need phase sensitive detection at the bias frequency!   

   The advantage is that the total power is conserved and maps contain all the structure.

   Atmospheric variations cause power changes at the input of the amplifier. This must be compensated by an opposing voltage for each scan.  

Page 13: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   In practice AC bias moves the 1/f noise to lower 

frequency. Integrating on LABOCA loads.

1/f noise starts at 0.1 Hz

Page 14: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   Being able to record the total power does not 

solve the problem that the atmosphere is a (strong) source of 1/f noise in the observed flux. However, when observing with large (n channels > 20)  bolometer arrays it is possible to estimate the atmospheric emission statistically. The field of view of the array is small and at any moment all the bolometer elements see the same amount of emission from the sky. Correlating the bolometer elements with each other the emission, seen simultaneously by all the elements can be subtracted. Easy when observing point sources, more difficult when observing extended sources. 

 

Page 15: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   LABOCA time line for 9 channels (out of ~250). 

   The signal in separate elements is correlated!

 

Page 16: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   Correlated noise removal:

   The signal is sampled at a frequency >>1Hz in all n bolometer elements.  At each time point correlate the signal in  each bolometer element with the signal in surrounding elements and subtract the correlating part. If the source is compact one can correlate the signal in almost all the surrounding elements. If the source is extended the immediate surroundings of each element has to be masked.  Noise removal can be aggressive (i.e. strong) or  “soft”. 

 

Page 17: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   For extended sources the resulting map noise is 

worse than for point sources.   

 

Page 18: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   MAMBO               LABOCA  850 microns           

  1.2mm

 

Page 19: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Linear and spiral OTF scans can be used. The telescope must move quickly enough so that the array moves over the source in time which is less than the 1/f limit.  

   Spiral scan effective for point sources but linear scans are better for observations of large scale extended emission 

                     

Page 20: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy   A point source and an extended region observed 

   with LABOCA

   at 0.85mm.  The

   LABOCA FOV

   is ~11 arcmin.

Page 21: Submillimetre astronomy - Helsinki

Submillimetre astronomy

   Reduction of LABOCA data contains the steps● Flagging in time and space domain● Fourier filtering (blanking/tapering)● Despiking● Flat fielding● Opacity correction● Correlated noise removal