[論文レビュー] HI as a Probe of the Large Scale Structure in the Post-Reionization Universe: Visibility Correlations and Prospects for Detection

Nishikanta Khandai, Kanan K. Datta+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、電波望遠鏡からの可視性相関を用いて、再電離以降の宇宙における中性水素（HI）の統計的・直接的検出を調査する。シミュレートされたHIマップを用いて、MWAは再電離以降のすべての利用可能な赤方偏移において、大スケールの角度でHI可視性相関を検出可能であることを示し、GMRTはz = 1.3で統計的検出が可能であり、1,000時間未塔の積分時間でレアなHIピークの直接検出が可能である。

ABSTRACT

Simulated maps of the HI distribution in the post-reionization era are used to study the prospects for detection with existing and upcoming radio telescopes. We consider detection in the redshifted radiation from the hyperfine transition with a rest frame frequency of 1420 MHz. Possibility of a statistical detection using visibility correlations is discussed. We show that the MWA (Murchison Widefield Array) and the GMRT (Giant Meterwave Radio Telescope) can potentially detect signal from the HI distribution at high redshifts. MWA can detect visibility correlations at large angular scales at all redshifts accessible to it in the post-reionization era. The GMRT can detect visibility correlations at lower redshifts, specifically there is a strong case for a survey at z = 1.3. We also discuss prospects for direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT. We show that direct detection should be possible with integration time that is comparable to, or even less than, the time required for a statistical detection. Specifically, it is possible to make a statistical detection of the HI distribution by measuring the visibility correlation, and, direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT in less than 1000 hours of observations.

研究の動機と目的

• 再電離以降の宇宙における中性水素（HI）の可視性相関技術を用いた検出可能性を評価すること。
• 既存および将来の電波望遠鏡（特にMWAおよびGMRT）が高赤方偏移におけるHI信号に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。
• 短い積分時間で、希少な高密度HIピークの直接検出が統計的検出よりも可能かどうかを特定すること。
• 現在の機器を用いた検出の可能性を最大化するための最適な赤方偏移および観測戦略を同定すること。

提案手法

• 宇宙論的モデルを用いて、再電離以降の宇宙における中性水素（HI）の分布をシミュレートする。
• 静止周波数1420 MHzの赤方偏移21 cm信号のHI可視性相関関数を計算する。
• MWAおよびGMRTが異なる赤方偏移においてこれらの可視性相関にどのよう応答するかをモデル化する。
• 可視性相関測定による統計的検出のための必要な積分時間を推定する。
• 同じ機器を用いた希少で高コントラストなHIピークの直接検出の可能性を評価する。
• 可視性相関による統計的検出と孤立ピークの直接検出の間での積分時間要件を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MWAからの可視性相関測定は、再電離以降の宇宙におけるすべての利用可能な赤方偏移でHIを検出可能か？
• RQ2 GMRTはどの赤方偏移で可視性相関を用いたHIの統計的検出が可能か？
• RQ3 GMRTは、統計的検出に要する時間よりも短い積分時間で、希少で高コントラストなHIピークの直接検出が可能か？
• RQ4 GMRTおよびMWAを用いたHIの統計的および直接検出にそれぞれ必要な積分時間はどのくらいか？

主な発見

• MWAは、再電離以降時代にアクセス可能なすべての赤方偏移において、大スケールの角度でHI可視性相関を検出可能である。
• GMRTはz = 1.3でHIの統計的検出に強く適しており、より低い赤方偏移でも可視性相関測定が可能である。
• GMRTを用いて1,000時間未塔の積分時間で、HI分布における希少で高コントラストなピークの直接検出が可能である。
• 希少なHIピークの直接検出に要する積分時間は、可視性相関による統計的検出に要する時間と同等、あるいはそれ以下である。
• 可視性相関技術は、現在の電波望遠鏡を用いた再電離以降の宇宙におけるHIの有効な統計的検出経路を提供する。
• GMRTの感度は、統計的検出および直接検出の両方を可能にし、後者は実用的な観測時間枠内で達成可能である。