Dissertação de Mestrado

Dissertação de Mestrado

(Parte 1 de 6)

Universidade Federal de Itajuba - UNIFEI Programa de Pos–Graduacao em Fısica e Matematica Aplicada

Adhimar Flavio Oliveira

Dissertacao de Mestrado, orientada pelo Prof. Dr. Newton de Figueiredo Filho

UNIFEI Itajuba – MG,

Fevereiro de 2009

Universidade Federal de Itajuba - UNIFEI Programa de Pos–Graduacao em Fısica e Matematica Aplicada

Adhimar Flavio Oliveira

Dissertacao de Mestrado, orientada pelo Prof. Dr. Newton de Figueiredo Filho

Dissertacao submetida ao Programa de Pos–Graduacao em Fısica e Matematica

Aplicada como parte dos requisitos para obtencao do Tıtulo de Mestre em Ciencias em Fısica e Matematica Aplicada

UNIFEI Itajuba – MG

Fevereiro de 2009

”Estamos em presenca de uma ideia louca.

Resta saber se sera o bastante para que esteja certa.” Niels Bohr

Aos meus pais

Adhimar da Conceicao Oliveira e Maria Eva Furtado de Oliveira,

Ao meu irmao

Alexandre Daniel Oliveira e a minha namorada Vanessa de Moura Cantaruti.

Agradecimentos

Ao finalizar esta tarefa, e facil reconhecer a colaboracao que sempre recebi, durante todo o tempo que dediquei a elaboracao deste trabalho.

Inicialmente agradeco a Deus. Aos meus pais, meu irmao e minha namorada por todo o incentivo e apoio. Ao orientador, professor e amigo Newton de Figueiredo Filho pelo constante incentivo, sempre indicando a direcao a ser tomada nos momentos de maior dificuldade. Pela lideranca, dedicacao, perseveranca e jovialidade contagiante. Aos professores Agenor Pina e Wilton Dias pelas inumeras dicas que contribuıram muito para meu desenvolvimento cientıfico. Aos professores Bruno Castilho, Jose Augusto Baeta e Renato Klippert que tambem me ensinaram muito. Ao Elcio da Silveira, Celso Antonio da Silveira, Dayvidson Siqueira e Dante Donizeti pelo companheirismo e amizade. A Marcia Guedes, Vanessa Ferreira, Juliana Cardoso, Camila e Ana Lucia pelas grandes contribuicoes e a convivencia e amizade no laboratorio Microondas. Ao Keeyne Borges, Guilherme, Sinval, Baltazar Jonas e Elaine tambem pela amizade e apoio. Agradeco tambem a Ana Paula, Aline, Flavio, Thiago, Cristiane, Zaqueu, Vitor, Larissa, Sebastiao, Juarez, Mıriam, Miralvo, Nivaldo, e Cerqueira.

As secretarias por todo o carinho, compreensao e apoio junto a PRPPG e a secretaria do ICE. Aos funcionarios da Biblioteca.

Agradeco tambem aos pesquisadores e tecnicos do INPE: Thyrso Villela, Ivan Ferreira,

Carlos Alexandre, Reitano, Alan pelo apoio e orientacao.

Ao programa REUNI e a UNIFEI pelo auxılio financeiro. Aos diversos bancos publicos de rotinas de dados e de informacoes, tais como o Astrolib, Healpix e o LAMBDA.

Resumo

Neste trabalho sao apresentadas as etapas de observacao e o processo de analise e reducao dos dados coletados entre junho e novembro de 2007 no radiotelelescopio GEM (Galactic Emission Mapping), para a construcao do mapa da emissao polarizada da Galaxia na frequencia de 5 GHz, que cobre 47 % do ceu. O projeto GEM consiste em um radiotelescopio de 5,5 m de diametro que mapeia o ceu em faixas de 60◦ em declinacao a partir de um conjunto de locais de observacao situados em diferentes latitudes do globo terrestre, operando atualmente no INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) em Cachoeira Paulista, SP. Para medir a polarizacao da emissao Galactica na faixa de 5 GHz foi utilizado um polarımetro, que conta com um transdutor de modo ortogonal que possibilita uma separacao dos modos de polarizacao de cerca de 50 dB e dois amplificadores criogenicos com ganho de 30 dB. E apresentado tambem o metodo para a producao de um mapa da polarizacao da emissao Galactica com estes dados e a calibracao das medidas, para a qual se utilizou um calibrador de bancada dotado de uma grade polarizadora. Foi realizada uma analise de correlacao entre os mapas dos parametros de Stokes Q e U, tendo sido encontrado r = −0,0013 o que mostra que os mapas nao sao correlacionados. Alem disso, sao calculadas e discutidas as correlacoes entre os angulos de polarizacao do mapa do GEM em 5 GHz e os mapas do WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) em 23 GHz e do DRAO (Dominion Radio Astrophysical Observatory) em 1,41 GHz, nos quais encontramos regioes do ceu em que possivelmente ocorrem os efeitos da rotacao Faraday.

Palavras-chave Emissao Galactica, Rotacao Faraday, Instrumentacao, Polarizacao

Abstract

In this work we present the observations, reduction and analysis of the data colected between June and November 2007, using the radiotelescope GEM (Galactic Emission Mapping) in order to produce a map of the polarized galactic emission at 5 GHz. The GEM project consists of a 5.5 meter diameter radiotelescope which observes regions of the sky which are 60◦ wide from a few sites at different latitudes. These data were colected at Cachoeira Paulista, Brazil, and the resulting maps cover 47% of the sky between declinations −52◦ and 07◦. In order to measure the polarized galactic emission at 5 GHz, we used a polarimeter with an orthonormal mode transducer that allows a 50 dB separation between the polarization modes and two cryogenic amplifiers of 30 dB gain. We also present the steps toward producing our maps as well as the calibration of the instrument for which we have used a bench calibrator with a polarization grating. We performed a correlation analysis between the maps of the Stokes’s parameter Q e U and found a correlation coeficient of r = −0.0013, which shows that these maps are essentially uncorrelated. We also calculate and discuss the correlation between the polarization angle of our 5 GHz maps and the maps of WMAP at 23 GHz and DRAO at 1.41 GHz which let us find possible signs of Faraday rotation.

Keywords galactic emission, Faraday rotation, instrumentation, polarization

Conteudo

Resumo IV

Lista de Figuras VII

Lista de Tabela X

1.1 Experimentos que mapeiam a emissao polarizada3

1 Introducao 1

2.1 Emissao Termica de Poeira6
2.2 Emissao Bremsstrahlung6
2.3 Radiacao Sıncrotron7
2.3.1 Potencia Total Emitida7
2.3.2 Polarizacao da Radiacao Sıncrotron10
2.4 Polarizacao e Parametros de Stokes1
2.4.1 Ondas Eletromagneticas Planas1
2.4.2 Ondas Monocromaticas12
2.4.3 Ondas Quase Monocromaticas15
2.5 Rotacao Faraday21

2 Emissao Galactica em Micro-ondas 5

3.1 Objetivos Cientıficos e Generalidades25
3.2 O Experimento26
3.2.1 Funcionamento do Radiotelescopio em 5 GHz26
3.2.2 Atenuacao Causada Pela Malha Metalica35
3.3 Campanha de Coleta dos Dados36

3 O projeto GEM e a Coleta dos Dados 25 VI

4.1 Construcao dos Mapas49
4.2 Mapa de Sensibilidade5
4.3 Comparacao com Mapas de outros Instrumentos5

4 Analise e Reducao dos Dados 39

6 Conclusoes e Perspectivas 76 Bibliografia 79

1.1 Ilustracao do esquema do Satelite PLANCK4

Lista de Figuras

RCFM5
2.2 Movimento helicoidal da partıcula em um campo magnetico uniforme8
2.3 Componentes da emissao sıncrotron projetadas no plano do ceu1
2.4 Esquema representando a polarizacao elıptica da onda no referencial x′ y′13
2.5 Ilustracao do filtro de polarizacao linear20
3.1 Radiotelescopio GEM no sıtio de Cachoeira Paulista - SP26
3.2 Trajetoria do feixe descrito pela antena na esfera celeste27
3.3 Mapa com medidas realizadas durante um intervalo de 150 min27
3.4 Mapa do numero de observacoes do mapas do mapa final28
3.5 Mapa do numero em coordenadas equatoriais28
3.6 Histograma dos dados do mapa da Figura 3.429
radiotelescopio GEM30
na antena do GEM31
3.9 Corneta conica corrugada31
3.10 Esquema do receptor em 5 GHz3
em 5 GHz35
3.12 Calibrador de bancada38
4.1 Esquema de pixelizacao do Healpix39
4.2 Esquema da analise e reducao dos dados41

2.1 Espectro das emissoes sıncrotron, livre-livre e de poeira da Galaxia e da 3.7 Ilustracao da trajetoria calculada para os feixes incidentes na antena do 3.8 Ilustracao da trajetoria calculada para os feixes de micro-ondas incidentes 3.1 Diagrama de ligacao dos componentes do radiotelescopio do projeto GEM VIII

4.4 Sinal de saıda do canal a e b43
4.5 Variacao do azimute durante um perıodo de aproximadamente 19 min4
Lua45
4.7 Mapa de tres dias de observacao com uma regiao contaminada pelo Sol45
4.8 Serie temporal, apos a retirada da contaminacao da radiacao do Sol46
da Lua46
4.10 Serie temporal, apos o tratamento estatıstico47
4.1 Mapa gerado a partir da serie temporal da Figura 4.1047
4.12 Serie temporal, apos a suavizacao48
4.13 Mapa gerado a partir da serie temporal da Figura 4.1248
4.14 Mapa gerado a partir da serie temporal da Figura 4.651
4.16 Mapa do numero de observacoes do mapa da Figura 4.1452
4.17 Histograma do mapa do numero de observacoes da Figura 4.1652
4.18 Mapa do parametro de Stokes Q construıdo com os dados da Figura 4.653
4.19 Histograma do mapa da Figura 4.1853
4.20 Mapa do parametro de Stokes U construıdo com os dados da Figura 4.654
4.21 Histograma do mapa da Figura 4.2054
4.2 Mapa de intensidade linearmente polarizada do DRAO56
4.23 Mapa do parametro de Stokes U do DRAO56
4.24 Mapa do parametro de Stokes Q do DRAO57
4.25 Angulo de polarizacao do mapa do DRAO57
4.26 Mapa de intensidade linearmente polarizada do WMAP58
4.27 Mapa do parametro de Stokes U do WMAP58
4.28 Mapa do parametro de Stokes Q do WMAP62
4.29 Angulo de polarizacao do mapa do WMAP62
5.1 Mapa de intensidade polarizada em 5 GHz, em coordenadas galacticas63
5.2 Histograma dos dados do mapa da Figura 5.164
5.3 Mapa do parametro de Stokes Q, em 5 GHz65

4.3 Temperatura no vaso criogenico durante um intervalo de 150 min. . . . . . 43 4.6 Serie temporal apresentando contaminacao devido a radiacao do Sol e da 4.9 Mapa da Figura 4.7, apos a retirada da contaminacao da radiacao do Sol e 4.15 Histograma do mapa de intensidade linearmente polarizada da Figura 4.14. 51 IX

5.5 Mapa do parametro de Stokes U em 5 GHz6
5.6 Histograma dos dados do mapa da Figura 5.56
GEM67
5.8 Mapa da Figura 5.167
5.9 Angulo de polarizacao do mapa do GEM, em 5 GHz68
45◦ × 45◦, destacando a regiao do Centro Galactico69
5.1 Destaque do mapa de intensidade polarizada70
5.12 Destaque do mapa de intensidade polarizada (Figura 5.1)71
5.13 Mapa com estimativa da incerteza nas medidas do mapa da Figura 5.172
5.14 Histograma do mapa da Figura 5.1372
mapa do GEM73
5.16 Histograma do mapa da Figura 5.1573
5.18 Histograma do mapa da Figura 5.1774
mapa do DRAO75
5.20 Histograma do mapa da Figura 5.1975
6.1 Ilustracao do receptor do GEM em 10 GHz78

5.4 Histograma dos dados do mapa da Figura 5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.7 Grafico T ×T entre os mapas dos parametros de Stokes Q e U do mapa do 5.10 Destaque do mapa do angulo de polarizacao. Este mapa em projecao cartesiana e coordenadas galacticas, tem dimensoes de aproximadamente 5.15 Variacao do angulo de polarizacao entre o mapa do satelite WMAP e o 5.17 Variacao do angulo de polarizacao entre o mapa do GEM e o mapa do DRAO. 74 5.19 Variacao do angulo de polarizacao entre o mapa do satelite WMAP e o X

3.1 Descricao optica do radiotelescopio GEM30
3.3 Dados referentes ao local das observacoes37
3.4 Dados referentes as observacoes37
3.5 Principais problemas nos dados37
4.1 Descricao das colunas geradas no processo de armazenamento dos dados40
4.2 Descricao das colunas da matriz gerada na soma da dados semanais4

Lista de Tabelas 3.2 Resumo de todos os componentes do polarımetro e seus operadores associados. 34 4.3 Comparacao entre os angulos de polarizacao do Mapa do GEM e do WMAP. 59 4.4 Comparacao entre os angulos de polarizacao do mapa do WMAP e do DRAO. 60 4.5 Comparacao entre os angulos de polarizacao do mapa do GEM e do DRAO. 61

no sıtio de Cachoeira Paulista, SP64
zacao medido por diferentes instrumentos68

5.1 Dados referentes ao mapa construıdo com os dados da campanha de 2007 5.2 Dados referentes ao metodo para encontrar a variacao do angulo de polari- XI

Capıtulo 1

Introducao

Atualmente sabe-se que existe uma grande quantidade de informacoes acerca do universo jovem que podem ser obtidas a partir dos mapas de polarizacao da Radiacao Cosmica de Fundo em Micro-ondas (RCFM). Modelos cosmologicos atuais prevem que o nıvel de polarizacao da RCFM e de 5 a 10% (e.g. Giardino et al., 2002). Uma questao fundamental para qualquer medicao da RCFM e a distincao de seu sinal polarizado do sinal polarizado de foreground da Galaxia. Por isso, atualmente existe uma grande demanda por mapas da emissao polarizada da Galaxia para a construcao de modelos de descontaminacao da componente polarizada dos mapas da RCFM.

Visando atender essa demanda, este trabalho foi realizado em duas etapas: a primeira etapa teve como objetivo a coleta de dados e a construcao do mapa parcial das medidas da polarizacao da emissao Galactica em 5 GHz, em que foi utilizado o radiotelescopio GEM (Galactic Emission Mapping); a segunda etapa consistiu na comparacao dos dados obtidos no mapa de 5 GHz com mapas de outros instrumentos, que tambem realizam medidas da emissao polarizada da Galaxia, porem em diferentes frequencias, com o objetivo de encontrar regioes em que ocorra a rotacao Faraday.

(Parte 1 de 6)

Comentários