[論文レビュー] Hydrogen 21-cm Intensity Mapping at redshift 0.8

Tzu‐Ching Chang, Ue‐Li Pen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、DEEP2調査における約10,000個の銀河の電波放射をスターリングすることで、グリーン・バンク望遠鏡を用いて赤方偏移 z ≈ 0.8 における21-cm強度マッピングの初回検出を報告する。21-cm輝度温度の揺らぎと光学的銀河密度の間の相関において4σの有意性を達成し、Ω_HI = (5.5 ± 1.5) × 10⁻⁴ / (rb) の下限推定値を得た。これは、強度マッピングを用いた宇宙の暗黒エネルギーおよび大規模構造のプローブとして、高赤方偏移における中性水素密度を制約するものである。

ABSTRACT

Observations of 21-cm radio emission by neutral hydrogen at redshifts z ~ 0.5 to ~ 2.5 are expected to provide a sensitive probe of cosmic dark energy. This is particularly true around the onset of acceleration at z ~ 1, where traditional optical cosmology becomes very difficult because of the infrared opacity of the atmosphere. Hitherto, 21-cm emission has been detected only to z=0.24. More distant galaxies generally are too faint for individual detections but it is possible to measure the aggregate emission from many unresolved galaxies in the 'cosmic web'. Here we report a three dimensional 21-cm intensity field at z=0.53 to 1.12. We then co-add HI emission from the volumes surrounding about ten thousand galaxies (from the DEEP2 optical galaxy redshift survey. We detect the aggregate 21-cm glow at a significance of ~ 4 sigma.

研究の動機と目的

• 光学的調査が大気の不透明性に起因する制限を受けるz ≈ 1における、宇宙のウェブの3次元プローブとして21-cm強度マッピングの実現可能性を検証すること。
• 解像度が不足する銀河のスターリング放射を用いて、高赤方偏移における総合的な21-cm輝度温度および中性水素密度を測定すること。
• 強度マッピングが、従来の調査よりも50倍以上の体積を経済的にカバーできることを示すこと。
• 21-cmデータと光学的銀河位置の間の相関を用いて、z ≈ 0.8における中性水素密度Ω_HIを制約すること。
• 現在の制約において未知の要因とされる確率的要因（r）およびバイアス（b）が、強度マッピング信号の解釈に与える影響を評価すること。

提案手法

• グリーン・バンク望遠鏡を用いて、0.53 < z < 1.12 の範囲（1400–2600 h⁻¹ Mpc の共動距離に対応）における赤方偏移21-cm放射を観測する。
• 2つの線形に偏光した受信素子の相関を用いた偏光ベースのRFI除去法を適用し、地上干渉を排除するため2%を超える相関を除去する。
• スレート値分解（SVD）を用いて、天体の広帯域連続スペクトルをT(x,ν) = f(x)g(ν) の形でモデル化・減算する。
• 清浄化された21-cm輝度温度場とDEEP2調査の光学的銀河密度場との間の相関を実行し、集団信号を検出する。
• 相関関数における特異速度の寄与を補正するため、ガウス分布の2点間速度分散σ₁₂ = 395 km/s を用いて径方向歪みをモデル化する。
• 観測された相関振幅を理論的関係式 ζ = 284 μK × b r × Ω_HI / 10⁻³ × (h/0.73) × [(Ωₘ + (1+z)⁻³Ω_Λ)/0.37]⁻⁰·⁵ × [(1+z)/1.8]⁰·⁵ にフィットさせ、Ω_HI を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 解像度が不足する銀河を解像せず、z ≈ 0.8 における大規模構造を21-cm強度マッピングで検出可能か？
• RQ2 z ≈ 0.8 における21-cm輝度温度揺らぎの振幅は何か？ そして、これと中性水素密度の根本的関係は？
• RQ3 検出された21-cm信号は、光学的に明るい銀河の分布とどの程度相関しているか？ そして、これはガスの集団化について何を示唆するか？
• RQ4 バイアス（b）および確率的要因（r）の不確実性が、測定された21-cm信号および推定されたΩ_HI の解釈に与える影響は？
• RQ5 z ≈ 1 における強度マッピングは、中性水素の進化を測定するためのクェーサー吸収線調査の代替として実用的か？

主な発見

• 本研究では、平均赤方偏移 z ≈ 0.8 における21-cm輝度温度揺らぎと光学的銀河密度の間の相関が4σで検出された。
• ゼロラグ相関振幅は157 ± 42 μK と測定され、Ω_HI = (5.5 ± 1.5) × 10⁻⁴ / (rb) の下限推定値に対応する。
• 有効な分解能要素は (9 h⁻¹ Mpc)³ であり、1ビームあたり平均で5つのDEEP2銀河が含まれており、自己放射と集団放射の分離が制限されている。
• 検出された信号は、光学的に明るい銀河の周囲の大きなスケール構造に中性ガスが追従しているモデルと整合的であるが、DEEP2銀河と集団化していない大部分の中性ガスを逃している可能性がある。
• DEEP2銀河自体が全21-cmフラックス分散に寄与する割合は約20%と推定され、大部分の信号は周囲の解像度が不足する銀河に由来している。
• 本手法は、RFIおよび前景放射の課題が存在する中でも、z ≈ 1 におけるΩ_HI に宇宙論的意味のある制約を達成できることを示しており、将来的な自己相関および相関測定によりバイアス（b）および確率的要因（r）を測定する道筋を提供する。