[論文レビュー] Intensity Mapping with the 21-cm and Lyman Alpha Lines

J. B. Peterson, Enrique Solana Suárez|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2012

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、大規模な宇宙構造をマッピングするための従来の赤方偏移サーベイの高速で感受性の高い代替手段として、21-cm線およびリプマンアルファ（Lyα）線を用いた強度マッピングを提案する。個々の銀河を検出せずに広い天の川領域における全線放射を測定することにより、高赤方偏移における質量密度の効率的で三次元的なマッピングが可能となり、主な結果としてz = 0.8でスタッキングを用いて検出可能な21-cm信号が得られ、線の混同のリスクがあるもののz > 10でのLyαマッピングの可能性も示唆される。

ABSTRACT

The 21-cm and Lyman Alpha lines are the dominant line-emission spectral features at opposite ends of the spectrum of hydrogen. Each line can be used to create three dimensional intensity maps of large scale structure. The sky brightness at low redshift due to Lyman Alpha emission is estimated to be 0.4 Jy/Steradian, which is brighter than the zodiacal light foreground.

研究の動機と目的

• 個々の銀河の検出を要件としない方法として、強度マッピングを大規模構造をトレースする手段として開発すること。
• 従来の赤方偏移サーベイに伴う制限、すなわち遅さ、人的労力の多さ、および弱いまたはSN比が低い源の漏れを克服すること。
• 高赤方偏移における21-cmおよびLyα線を用いて、迅速かつ広域の宇宙構造マッピングを可能にすること。
• 極めて高い赤方偏移、特にz ~ 15およびそれ以上の領域における強度マッピングの実現可能性と利点を評価すること。
• 特にLyαに関して、他の水素線や種の混同が生じるリスクを評価し、関連する赤方偏移におけるLyαの放射が支配的であることを確認すること。

提案手法

• 各線視方向における21-cmおよびLyα線のスペクトル輝度を用いて、赤方偏移-距離変換により質量密度を推定する。
• 線発光度と質量密度との間の線形関係を適用し、観測された放射度を宇宙密度マップに変換する。
• 大きなビームまたはピクセル（1–10アングストローム解像度）を用いて、線形構造の進化に適した広大な共動体積を迅速にカバーする。
• 5000個の銀河の周囲の21-cm放射をスタッキングして、銀河系のシンクロトロン前景よりもはるかに弱い信号を検出する。
• 可変フィルタ（例：ファブリ・ペロー）またはスリットレス分光法（例：GALEXのグリズム）を用いて、光学的／紫外線領域の広帯域マッピングをカバーする。
• 回転する宇宙船からのトモグラフィー的データに逆ラドン変換を適用して、3次元強度マップを再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 12時間の積分時間で21-cm強度マッピングがz = 0.8の宇宙構造を検出可能か？
• RQ2 強度マッピングの感受性は、従来の銀河赤方偏移サーベイと比較して、マッピング速度および完全性の観点でどの程度優れているか？
• RQ3 高赤方偏移における他の水素線や種の混同が、Lyα強度マッピングにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 大気吸収および低信号レベルの影響を受けても、z > 10でのLyα強度マップの構築は可能か？
• RQ5 z ~ 15でのLyα強度マッピングに最も効果的な機器構成（例：マイクロレンズアレイ、準軌道機器）は何か？

主な発見

• 低赤方偏移における21-cmの天の川輝度は0.4 Jy/ステラジアンと推定され、黄道光の前景を上回る。
• 5000個の銀河からの信号をスタッキングすることで、12時間の望遠鏡時間でz = 0.8の21-cm放射を検出可能であり、これは銀河系のシンクロトロン輝度のおよそ10万分の1以下の弱い信号であるにもかかわらず可能である。
• 低赤方偏移におけるLyα放射は、OVI や CIV などの隣接線よりも数個のオーダー明るく、強度マッピングにおける支配的役割を裏付ける。
• z = 4.4ではLyαとH-α線が観測波長で重複するが、狭帯域サーベイにおいてもLyα源が支配的であり、Lyαの支配的性を支持する。
• ウィスコンシンH-αマッパー（WHAM）は、小型望遠鏡を用いて3°フィールド、3アングストローム解像度の銀河の強度マップが実現可能であることを示しており、広域光学強度マッピングの実現可能性を支持する。
• 準軌道機器のCIBERの低分解能分光器は、5cmの開口部を用いてわずか8分間の観測でz ~ 15での大規模構造を検出可能であり、極めて高い赤方偏移における強度マッピングの可能性を示している。