- Access by Xinjiang University
Overcoming real-world obstacles in 21 cm power spectrum estimation: A method demonstration and results from early Murchison Widefield Array data
Phys. Rev. D 89, 023002 – Published 15 January, 2014
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.89.023002
Abstract
We present techniques for bridging the gap between idealized inverse covariance weighted quadratic estimation of 21 cm power spectra and the real-world challenges presented universally by interferometric observation. By carefully evaluating various estimators and adapting our techniques for large but incomplete data sets, we develop a robust power spectrum estimation framework that preserves the so-called "Epoch of Reionization (EoR) window" and keeps track of estimator errors and covariances. We apply our method to observations from the 32-tile prototype of the Murchinson Widefield Array to demonstrate the importance of a judicious analysis technique. Lastly, we apply our method to investigate the dependence of the clean EoR window on frequency—especially the frequency dependence of the so-called “wedge" feature—and establish upper limits on the power spectrum from to . Our lowest limit is Kelvin at 95% confidence at a comoving scale and .
Article Text
References (64)
- S. R. Furlanetto, S. P. Oh, and F. H. Briggs, Phys. Rep., 433, 181 (2006).
- M. F. Morales and J. S. B. Wyithe, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 48, 127 (2010).
- J. R. Pritchard and A. Loeb, Rep. Prog. Phys. 75, 086901 (2012).
- A. Loeb and S. R. Furlanetto, The First Galaxies In The Universe (Princeton University, Princeton, NJ, 2013).
- M. F. Morales, Astrophys. J. 619, 678 (2005).
- J. D. Bowman, M. F. Morales, and J. N. Hewitt, Astrophys. J., 638, 20 (2006).
- A. Lidz, O. Zahn, M. McQuinn, M. Zaldarriaga, and L. Hernquist, Astrophys. J. 680, 962 (2008).
- G. Harker, S. Zaroubi, G. Bernardi, M. A. Brentjens, A. G. de Bruyn, B. Ciardi, V. Jelić, L. V. E. Koopmans, P. Labropoulos, G. Mellema, A. Offringa, V. N. Pandey, A. H. Pawlik, J. Schaye, R. M. Thomas, and S. Yatawatta, Mon. Not. R. Astron. Soc. 405, 2492 (2010).
- A. Parsons, J. Pober, M. McQuinn, D. Jacobs, and J. Aguirre, Astrophys. J. 753, 81 (2012).
- A. de Oliveira-Costa, M. Tegmark, B. M. Gaensler, J. Jonas, T. L. Landecker, and P. Reich, Mon. Not. R. Astron. Soc. 388, 247 (2008).
- V. Jelić, S. Zaroubi, P. Labropoulos, R. M. Thomas, G. Bernardi, M. A. Brentjens, A. G. de Bruyn, B. Ciardi, G. Harker, L. V. E. Koopmans, V. N. Pandey, J. Schaye, and S. Yatawatta, Mon. Not. R. Astron. Soc. 389, 1319 (2008).
- G. Bernardi, A. G. de Bruyn, M. A. Brentjens, B. Ciardi, G. Harker, V. Jelić, L. V. E. Koopmans, P. Labropoulos, A. Offringa, V. N. Pandey, J. Schaye, R. M. Thomas, S. Yatawatta, and S. Zaroubi, Astron. Astrophys. 500, 965 (2009).
- J. C. Pober, A. R. Parsons, J. E. Aguirre, Z. Ali, R. F. Bradley, C. L. Carilli, D. DeBoer, M. Dexter, N. E. Gugliucci, D. C. Jacobs, D. MacMahon, J. Manley, D. F. Moore, I. I. Stefan, and W. P. Walbrugh, Astrophys. J. 768, L36 (2013).
- X. Wang, M. Tegmark, M. G. Santos, and L. Knox, Astrophys. J. 650, 529 (2006).
- J. D. Bowman, M. F. Morales, and J. N. Hewitt, Astrophys. J. 695, 183 (2009).
- A. Liu, M. Tegmark, J. Bowman, J. Hewitt, and M. Zaldarriaga, Mon. Not. R. Astron. Soc. 398, 401 (2009).
- A. Liu, M. Tegmark, and M. Zaldarriaga, Mon. Not. R. Astron. Soc. 394, 1575 (2009).
- G. Harker, S. Zaroubi, G. Bernardi, M. A. Brentjens, A. G. de Bruyn, B. Ciardi, V. Jelić, L. V. E. Koopmans, P. Labropoulos, G. Mellema, A. Offringa, V. N. Pandey, J. Schaye, R. M. Thomas, and S. Yatawatta, Mon. Not. R. Astron. Soc. 397, 1138 (2009).
- E. Chapman, F. B. Abdalla, G. Harker, V. Jelić, P. Labropoulos, S. Zaroubi, M. A. Brentjens, A. G. de Bruyn, and L. V. E. Koopmans, Mon. Not. R. Astron. Soc. 423, 2518 (2012).
- E. Chapman, F. B. Abdalla, J. Bobin, J.-L. Starck, G. Harker, V. Jelić, P. Labropoulos, S. Zaroubi, M. A. Brentjens, A. G. de Bruyn, and L. V. E. Koopmans, Mon. Not. R. Astron. Soc. 429, 165 (2013).
- G. Paciga, T.-C. Chang, Y. Gupta, R. Nityanada, J. Odegova, U.-L. Pen, J. B. Peterson, J. Roy, and K. Sigurdson, Mon. Not. R. Astron. Soc. 413, 1174 (2011).
- A. Liu and M. Tegmark, Mon. Not. R. Astron. Soc. 419, 3491 (2012).
- K. W. Masui, E. R. Switzer, N. Banavar, K. Bandura, C. Blake, L.-M. Calin, T.-C. Chang, X. Chen, Y.-C. Li, Y.-W. Liao, A. Natarajan, U.-L. Pen, J. B. Peterson, J. R. Shaw, and T. C. Voytek, Astrophys. J. 763, L20 (2013).
- G. Paciga, J. Albert, K. Bandura, T.-C. Chang, Y. Gupta, C. Hirata, J. Odegova, U.-L. Pen, J. B. Peterson, J. Roy, R. Shaw, K. Sigurdson, and T. Voytek, arXiv:1301.5906.
- L. Gleser, A. Nusser, and A. J. Benson, Mon. Not. R. Astron. Soc. 391, 383 (2008).
- N. Petrovic and S. P. Oh, Mon. Not. R. Astron. Soc. 413, 2103 (2011).
- A. R. Parsons, J. C. Pober, J. E. Aguirre, C. L. Carilli, D. C. Jacobs, and D. F. Moore, Astrophys. J., 756, 165 (2012).
- J. Cho, A. Lazarian, and P. T. Timbie, Astrophys. J. 749, 164 (2012).
- A. Liu and M. Tegmark, Phys. Rev. D, 83, 103006 (2011).
- J. S. Dillon, A. Liu, and M. Tegmark, Phys. Rev. D 87, 043005 (2013).
- J. R. Shaw, K. Sigurdson, U.-L. Pen, A. Stebbins, and M. Sitwell, arXiv:1302.0327.
- A. Datta, J. D. Bowman, and C. L. Carilli, Astrophys. J. 724, 526 (2010).
- H. Vedantham, N. Udaya Shankar, and R. Subrahmanyan, Astrophys. J. 745, 176 (2012).
- M. F. Morales, B. Hazelton, I. Sullivan, and A. Beardsley, Astrophys. J. 752, 137 (2012).
- C. M. Trott, R. B. Wayth, and S. J. Tingay, Astrophys. J. 757, 101 (2012).
- N. Thyagarajan et al. (to be published).
- B. J. Hazelton, M. F. Morales, and I. S. Sullivan, Astrophys. J. 770, 156 (2013).
- M. Tegmark, Phys. Rev. D 55, 5895 (1997).
- J. R. Bond, A. H. Jaffe, and L. Knox, Phys. Rev. D 57, 2117 (1998).
- M. Tegmark, A. J. S. Hamilton, M. A. Strauss, M. S. Vogeley, and A. S. Szalay, arXiv:astro-ph/9708020.
- M. Tegmark, M. R. Blanton, M. A. Strauss et al., Astrophys. J. 606, 702 (2004).
- Y. Mao, M. Tegmark, M. McQuinn, M. Zaldarriaga, and O. Zahn, Phys. Rev. D 78, 023529 (2008).
- M. F. Morales and J. Hewitt, Astrophys. J. 615, 7 (2004).
- M. Tegmark, A. J. S. Hamilton, and Y. Xu, Mon. Not. R. Astron. Soc. 335, 887 (2002).
- M. Tegmark, Astrophys. J. 480, L87 (1997).
- C. L. Williams et al., Astrophys. J. 755, 47 (2012).
- S. J. Tingay et al. PASA 30, e007 (2013).
- J. D. Bowman et al. PASA 30, e031 (2013).
- C. G. T. Haslam, C. J. Salter, H. Stoffel, and W. E. Wilson, Astron. Astrophys. 47, 1 (1982).
- J. E. Noordam, in Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, Vol. 5489, edited by J. M. Oschmann Jr.. (2004), p. 817.
- S. van der Tol, B. D. Jeffs, and A.-J. van der Veen, IEEE Trans. Signal Process. 55, 4497 (2007).
- D. A. Mitchell, L. J. Greenhill, R. B. Wayth, R. J. Sault, C. J. Lonsdale, R. J. Cappallo, M. F. Morales, and S. M. Ord, IEEE Signal Process. Lett. 2, 707 (2008).
- H. T. Intema, S. van der Tol, W. D. Cotton, A. S. Cohen, I. M. van Bemmel, and H. J. A. Röttgering Astron., Astrophys. J. 501, 1185 (2009).
- T. J. Cornwell, K. Golap, and S. Bhatnagar, IEEE Signal Process. Lett. 2, 647 (2008).
- M. R. Griffith, A. E. Wright, B. F. Burke, and R. D. Ekers, Astrophys. J. 97, 347 (1995).
- M. I. Large, B. Y. Mills, A. G. Little, D. F. Crawford, and J. M. Sutton, Mon. Not. R. Astron. Soc. 194, 693 (1981).
- J. N. Douglas, F. N. Bash, F. A. Bozyan, G. W. Torrence, and C. Wolfe, Astrophys. J. 111, 1945 (1996).
- O. B. Slee, Aust. J. Phys. 48, 143 (1995).
- A. S. Cohen, W. M. Lane, W. D. Cotton, N. E. Kassim, T. J. W. Lazio, R. A. Perley, J. J. Condon, and W. C. Erickson, Astrophys. J. 134, 1245 (2007).
- E. Komatsu, K. M. Smith, J. Dunkley, C. L. Bennett, B. Gold, G. Hinshaw, N. Jarosik, D. Larson, M. R. Nolta, L. Page, D. N. Spergel, M. Halpern, R. S. Hill, A. Kogut, M. Limon, S. S. Meyer, N. Odegard, G. S. Tucker, J. L. Weiland, E. Wollack, and E. L. Wright, Astrophys. J. 192, 18 (2011).
- T. Di Matteo, R. Perna, T. Abel, and M. J. Rees, Astrophys. J. 564, 576 (2002).
- J. M. Bittner and A. Loeb, J. Cosmol. Astropart. Phys. 04 (2011) 038.
- R. Barkana, Mon. Not. R. Astron. Soc. 397, 1454 (2009).
- A. R. Parsons, A. Liu, J. E. Aguirre, Z. S. Ali, R. F. Bradley, C. L. Carilli, D. R. DeBoer, M. R. Dexter, N. E. Gugliucci, D. C. Jacobs, P. Klima, D. H. E. MacMahon, J. R. Manley, D. F. Moore, J. C. Pober, I. I. Stefan, and W. P. Walbrugh, arXiv:1304.4991.