[論文レビュー] Imaging HII Regions from Galaxies and Quasars During Reionisation with SKA

J. Stuart B. Wyithe, Paul M. Geil+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙再イオン化期における銀河およびクェーサーからのHII領域のイメージング可能性を、SKA1-LOW望遠鏡を用いて検討する。半数値シミュレーションを用いて、SKA1-LOWの分解能および感度が、フィードバックに影響を受ける銀河からのHII領域を解像可能であり、初期再イオン化期における小さな領域を検出可能であることを示している。ただし、大規模なイオン化構造をイメージするには、数度にわたる視野が必要である。

ABSTRACT

The ionisation structure of the Intergalactic Medium (IGM) during reionisation is sensitive to the unknown galaxy formation physics that prevailed at that time. This structure introduces non-Gaussian statistics into the redshifted 21 cm fluctuation amplitudes that can only be studied through tomographic imaging, which will clearly discriminate between different galaxy formation scenarios. Imaging the ionisation structure and cosmological HII regions during reionisation is therefore a key goal for the SKA. For example, the SKA1-LOW baseline design with a 1 km diameter core will resolve HII regions expected from galaxy formation models which include strong feedback on low-mass galaxy formation. Imaging the smaller HII regions that result from galaxy formation in the absence of SNe feedback will also be possible for SKA1-LOW in the later stages of reionisation, but may require the greater sensitivity of SKA early in the reionisation era. In addition to having baselines long enough to resolve the HII regions, the field of view for SKA1-LOW reionisation experiments should be at least several degrees in order to image the largest HI structures towards the end of reionisation. The baseline design with 35 meter diameter stations has a field of view within a single primary pointing which is sufficient for this purpose.

研究の動機と目的

• SKA1-LOWが宇宙再イオン化期に形成されたHII領域、特に銀河およびクェーサーによって駆動されるものについてイメージング可能かどうかを評価すること。
• 再イオン化期における異なる銀河形成モデルを区別するための観測要件（分解能、感度、視野）を特定すること。
• トモグラフィックイメージングが、イオン化構造およびフィードバック物理学に敏感な21 cmフラクチュエーションの非ガウス統計を検出する役割を評価すること。
• 強力な超新星フィードバックおよびその欠如を含む、さまざまなフィードバック状況下でのHII領域の検出可能性を調査すること。
• 再イオン化の終焉に近い段階で、大規模なHI構造（最大約100 Mpc）をイメージングするための最小視野を確立すること。

提案手法

• ソースカタログおよび解析的HII領域モデルに基づき、再イオン化期における銀河間媒体（IGM）のイオン化構造をモデル化するための半数値シミュレーションを用いる。
• HII領域の球対称平均径方向密度プロファイルに基づくフィルタリング手法を適用し、光子保存則および自己一貫性のある重ね合わせを確保する。
• フィードバック強度に応じたさまざまなサイズのHII領域を検出するための角度分解能および感度要件を評価する。
• 再イオン化の終焉に近い段階で、最大約100 Mpcに達する大規模なHI構造をイメージングするための視野を、光線積算効果および宇宙分散を考慮して評価する。
• 超新星フィードバックの有無にかかわらずHII領域の検出可能性を比較し、分解能および感度と観測可能な特徴との関連を付く。
• 21 cm輝度温度フラクチュエーションのシミュレーションを用いて、観測可能なシグネチャをモデル化し、パワースペクトル統計ではなくトモグラフィックイメージングに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なフィードバックが低質量銀河に及える銀河形成モデルから予想されるHII領域を、SKA1-LOWが解像可能か？
• RQ2 初期再イオン化期において、超新星フィードバックが存在しない状況で形成される小さなHII領域をイメージングするには、どのような感度と分解能が必要か？
• RQ3 再イオン化の終焉に近い段階で、最大約100 Mpcに達する大規模なHI構造（最大約100 Mpc）をイメージングするためのSKA1-LOWの最小視野はどの程度か？
• RQ4 光線積算効果および宇宙分散は、再イオン化の重ね合わせ段階におけるHII領域の観測サイズにどのように制限を及えるか？
• RQ5 HII領域の形態のイメージングによって、「内側から外側へ」進む再イオン化シナリオと「外側から内側へ」進むシナリオをどの程度まで区別できるか？

主な発見

• 1 kmの直径を有するコアを備えたSKA1-LOWは、低質量銀河に強いフィードバックが働く銀河形成モデルから予想されるHII領域を解像可能である。
• 超新星フィードバックが存在しない状況で形成される小さなHII領域のイメージングには、特に初期〜中間期の再イオン化段階において、SKAの高い感度が求められる可能性がある。
• SKA1-LOWの再イオン化実験においては、最大のHI構造をイメージングするためには、視野が数度以上である必要がある。
• 35 mの直径を有するステーションを備えたSKA1-LOWのベースライン設計では、単一ポイントでの視野が、大規模構造のイメージングにやや不足しているが、許容範囲内にある。
• IGMのイオン化構造によって駆動される21 cmフラクチュエーションの振幅における非ガウス統計は、トモグラフィックイメージングを介してのみ研究可能であり、これは銀河形成シナリオの区別に有効である。
• 質量の大きな銀河周辺のHII領域の滑らかな縁は、源のクラスタリングに起因するが、これを解像するには高角度分解能が必要である。したがって、イオン化フロントの詳細なイメージングは、SKAの感度および分解能に依存する。