Cosmological observations with virtual radio telescopes

Abstract

The ground-based radio telescopes simulation software enable us to optimise the configuration of the telescope and its instrument dedicated to the observation of the Cosmic Microwave Background (CMB). This type of observations requires very high sensitivity in data acquisition; therefore, designing a code that allows changing the properties of the telescope to obtain simulated CMB maps is of great importance. Thus, the simulation of the GroundBIRD radio telescope currently located at the Teide Observatory in Spain was developed. For this, we used the classes and functions provided by the TOAST framework, a software developed in Python that supports telescope projects dedicated to observing the CMB, such as Planck and LiteBIRD (space telescopes), and ground-based projects such as the Simons Array and CMB-S4. This work provides an adapted functional code made in Python that simulates the main features of the GroundBIRD telescope and generates intensity and polarization (Q-U) CMB maps from the Map-Making process developed by the TOAST framework, which uses the library Libmadam to remove correlated noise. Furthermore, the project shows the behavior of the polarization signals in EE and BB mode before based on varying characteristics such as the integration time of the observations, the polarization angles of the focal plane detectors, the Noise Equivalent Temperature (NET) of the detectors, the knee frequency of the 1/f noise and the elevation and scan speed of the telescope. It was observed that the noise level of the maps decreases significantly when: the integration time is longer; there are four rather than two polarization detector angles; the Noise Equivalent Temperature (NET) is reduced to 2.5 µK √ s, and when the telescope elevation is 60°. It was also found that the power spectrum of the output CMB signal is similar to the input CMB when the knee frequency of the 1/f noise is less than 1 Hz and when the scan speed is 20 rpm. To conclude, we can say that the current features of GroundBIRD, based on the performed simulations, allow measuring low power signals at low multipoles with relatively low noise levels. However, the simulation could be improved to take into account real 1/f noise levels, background effects due to polarization generated by thermal or synchrotron radiation, atmospheric noise, and ground signals.

El software de simulación de radiotelescopios terrestres permite optimizar la configuración del telescopio y sus instrumentos dedicados a la observación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Este tipo de observaciones requiere una sensibilidad muy alta en la adquisición de datos, por lo que diseñar un código que permita cambiar las propiedades del telescopio para obtener mapas simulados del CMB es de gran importancia. Así, se desarrolló la simulación del radiotelescopio GroundBIRD actualmente ubicado en el Observatorio del Teide en España. Para ello, se utilizaron las clases y funciones proporcionadas por el framework TOAST, un software desarrollado en Python que da soporte a proyectos de telescopios dedicados a la observación del CMB, como Planck y LiteBIRD (telescopios espaciales), y a proyectos en tierra como el Simons Array y el CMB-S4. Este trabajo proporciona un código funcional adaptado realizado en Python que simula las principales características del telescopio GroundBIRD y genera mapas de intensidad y polarización (Q-U) del CMB a partir del proceso de Map-Making desarrollado por el framework TOAST, que utiliza la librería Libmadam para eliminar el ruido correlacionado. Además, el proyecto muestra el comportamiento de las señales de polarización en modo EE y BB antes en función de la variación de características como el tiempo de integración de las observaciones, los ángulos de polarización de los detectores del plano focal, la Temperatura de Ruido Equivalente(NET por sus siglas en inglés) de los detectores, la frecuencia de rodilla del ruido 1/f y la elevación y velocidad de escaneo del telescopio. Se observó que el nivel de ruido de los mapas disminuye significativamente cuando: el tiempo de integración es mayor; hay cuatro en lugar de dos ángulos de polarización de los detectores; la Temperatura de Ruido Equivalente (NET) se reduce a 2.5 µK √ s, y cuando la elevación del telescopio es de 60°. También se encontró que el espectro de potencia de la señal CMB de salida es similar al CMB de entrada cuando la frecuencia de rodilla del ruido 1/f es inferior a 1 Hz y cuando la velocidad de escaneo es de 20 rpm. Para concluir, podemos decir que las características actuales de GroundBIRD, basadas en las simulaciones realizadas, permiten medir señales de baja potencia en multipolos bajos con niveles de ruido relativamente bajos. Sin embargo, la simulación podría mejorarse para tener en cuenta los niveles reales de ruido 1/f, los efectos de fondo debidos a la polarización generada por la radiación térmica o sincrotrón, el ruido atmosférico y las señales de tierra.