Desvelando las propiedades de la Emisión Anómala de Microondas a partir de datos de QUIJOTE-MFI: análisis de apilamiento en regiones galácticas

Abstract

La emisión anómala de microondas (AME, Anomalous Microwave Emission) es una importante componente de la emisión en el rango de frecuencias entre 10 y 60 GHz cuyo origen aún no se comprende completamente. Para analizar esta situación, en este trabajo realizamos un análisis estadístico de la AME de muestras conformadas por fuentes compactas de nuestra Galaxia, seleccionadas según criterios específicos. Para ello, se han utilizado los mapas públicos del instrumento QUIJOTE-MFI (Q-U-I JOint TEnerife-Multifrequency Instrument) junto con otra serie de mapas. Luego, se utiliza el método de apilamiento (stacking) de mapas para estudiar las propiedades generales de las muestras. Estos mapas se utilizan para producir así los espectros (SED, Spectral Energy Distribution) a una escala angular de 1◦ para cada muestra. Finalmente, se ajusta la SED apilada mediante un método paramétrico de separación de componentes, teniendo en cuenta las principales componentes entre frecuencias de MHz y THz, proporcionando los valores de los parámetros de las muestras. El estudio ha permitido caracterizar los principales procesos físicos que actúan en los rangos de frecuencias de radio a infrarrojo lejano, tales como la emisión sincrotrón, la radiación libre-libre y la emisión del polvo térmico, prestando especial atención a la AME. Se ha creado un catálogo reducido de fuentes galácticas compactas con AME y se han utilizado datos de experimentos de microondas e infrarrojos como QUIJOTE-MFI, WMAP y Planck. Posteriormente, se exploraron las propiedades físicas estadísticas de la AME aplicando códigos de separación de componentes para la caracterización de cada SED apilada. Finalmente se identificaron las degeneraciones que surgen al comparar las SEDs apilada y sintética, donde el espectro sintético se genera mediante las predicciones de los modelos de cada fuente de una muestra dada. La técnica de stacking consiste en sumar, a nivel de mapa, la emisión de los distintos objetos dentro de cada muestra incrementando la señal a ruido de las mediciones. Esto se puede observar en la muestra W0.8 donde hay un cambio en el valor promedio de WAME = 1.11+0.24 −0.21 para el caso sintético a WAME = 0.92+0.07 −0.06 para el caso apilado. El hecho de que disminuya la anchura de la AME podría ser debido a la sobrestimación del parámetro WAME en el del ajuste de las SEDs de las fuentes individuales. No obstante, la SED apilada muestra valores que no alcanzan el rango de 0.4–0.7 predicho por los modelos teóricos de spinning dust. Por otro lado, cuando se presenta una medida de emisión alta, EM = 1888+82 −83 pc cm−6 para el caso apilado de la muestras 3, la frecuencia de la AME varía de un valor de 23±3 GHz para el caso sintético a un valor de 20.7+1.6 −1.4 GHz para el caso apilado. Este cambio evidencia la correlación que existe entre los parámetros νAME y EM. En este trabajo hemos demostrado que el uso de la técnica de stacking permite esquivar algunas de las limitaciones del análisis estadístico convencional. Además, según vayan surgiendo nuevos estudios que aporten datos adicionales sobre la AME, estos se podrán sumar al trabajo presente para mejorar la precisión. Ejemplos de esto podrían ser tanto los datos de CBASS a 5 GHz, como estudios de fuentes extragalácticas y polarización de la AME.

The Anomalous Microwave Emission (AME) is a significant component of the emission in the frequency range between 10 and 60 GHz whose origin is still not fully understood. To analyze this situation, we conducted a statistical analysis of the AME from samples composed of compact sources in our Galaxy, selected according to specific criteria. For this purpose, we used the public maps from the QUIJOTE-MFI instrument (Q-U-I JOint TEnerife-Multifrequency Instrument) along with a series of other maps. Then, the stacking method of maps is used to study the general properties of the samples. These maps are used to produce the Spectral Energy Distributions (SED) at an angular scale of 1◦ for each sample. Finally, the stacked SED is fitted using a parametric component separation method, taking into account the main components between MHz and THz frequencies, providing the parameter values for the samples. The study has allowed us to characterize the main physical processes that operate in the frequency ranges from radio to far-infrared, such as synchrotron emission, freefree radiation, and thermal dust emission, with particular attention to the AME. A reduced catalog of compact galactic sources with AME has been created, and data from microwave and infrared experiments such as QUIJOTE-MFI, WMAP, and Planck have been used. Subsequently, the statistical physical properties of the AME were explored by applying component separation codes for the characterization of each stacked SED. Finally, the degeneracies that arise when comparing the stacked and synthetic SEDs, where the synthetic spectrum is generated by averaging the predictions of the models of each source of a given sample, were identified. The stacking technique consists of summing, at the map level, the emission from different objects within each sample to increase the signal-to-noise ratio of the measurements. This can be observed in the W0.8 sample, where there is a change in the average value of WAME = 1.11+0.24 −0.21 for the synthetic case to WAME = 0.92+0.07 −0.06 for the stacked case. The fact that the width of the AME decreases could be due to the overestimation of the WAME parameter in the fit of the individual sources’ SEDs. Nevertheless, the stacked SED shows values that do not reach the 0.4–0.7 range predicted by theoretical spinning dust models. On the other hand, when a high emission measurement is presented, EM = 1888+82 −83 pc cm−6 for the stacked case of sample 3, the AME frequency varies from 23±3 GHz for the synthetic case to 20.7+1.6 −1.4 GHz for the stacked case. This change shows the correlation between the νAME and EM parameters. In this work, we have demonstrated that the use of the stacking technique allows us to circumvent some of the limitations of conventional statistical analysis. Additionally, as new studies providing additional data on the AME emerge, they can be added to the present work to improve accuracy. Examples of this could be data from CBASS at 5 GHz, as well as studies of extragalactic sources and AME polarization.