[論文レビュー] Measuring Cosmic Density of Neutral Hydrogen via Stacking the DINGO-VLA Data

Qingxiang Chen, M. Meyer+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 97被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、3,622個の銀河のDINGO-VLA 21 cm放射データに新しい3次元キューブレットスターミング法を適用することで、z ≈ 0.05における中性水素の宇宙的密度（ΩH I）を測定した。空間的に分解能のあるキューブレットをスターミングし、スタックされたポイント spread 関数（PSF）でデコンボリューションすることで、1.674 ± 0.183) × 10⁹ M⊙の強力な30σのH i質量検出が得られ、ΩH I = (0.377 ± 0.042) × 10⁻³が得られた。これは低赤方偏移におけるH i含有量に顕著な進化がないことを示しており、一貫性がある。

ABSTRACT

We use the 21 cm emission line data from the DINGO-VLA project to study the atomic hydrogen gas H\,{ extsc i} of the Universe at redshifts $z<0.1$. Results are obtained using a stacking analysis, combining the H\,{ extsc i} signals from 3622 galaxies extracted from 267 VLA pointings in the G09 field of the Galaxy and Mass Assembly Survey (GAMA). Rather than using a traditional one-dimensional spectral stacking method, a three-dimensional cubelet stacking method is used to enable deconvolution and the accurate recovery of average galaxy fluxes from this high-resolution interferometric dataset. By probing down to galactic scales, this experiment also overcomes confusion corrections that have been necessary to include in previous single dish studies. After stacking and deconvolution, we obtain a $30\sigma$ H\,{ extsc i} mass measurement from the stacked spectrum, indicating an average H\,{ extsc i} mass of $M_{ m H\,{ extsc i}}=(1.674\pm 0.183) imes 10^{9}~{\Msun}$. The corresponding cosmic density of neutral atomic hydrogen is $\Omega_{ m H\,{ extsc i}}=(0.377\pm 0.042) imes 10^{-3}$ at redshift of $z=0.051$. These values are in good agreement with earlier results, implying there is no significant evolution of $\Omega_{ m H\,{ extsc i}}$ at lower redshifts.

研究の動機と目的

• 高分解能干渉計21 cmデータを用いて、低赤方偏移（z < 0.1）における中性水素の宇宙的密度（ΩH I）を測定すること。
• uvカバレッジが悪い場合の非ガウス的ビームや sidelobes による影響を受ける従来のスペクトルスターミングの限界を克服すること。
• 単一電波望遠鏡研究で必要な混信補正を回避するため、銀河規模まで分解能を上げて個々の銀河を解像すること。
• z ≈ 0.051でのΩH Iの測定と、より高い赤方偏移での結果を比較することで、H i含有量の宇宙的進化をテストすること。
• 次世代電波望遠鏡を用いた将来のH i調査に向け、新規のキューブレットスターミング法の妥当性を検証すること。

提案手法

• VLAデータから既知の銀河位置を中心にした小さな空間的・スペクトル的キューブレットを抽出する3次元キューブレットスターミング手法を適用する。
• スタックされたポイント spread 関数（PSF）を用いてキューブレットをデコンボリューションし、平均銀河の放射.fluxを正確に回復できるようにする。
• デコンボリューションされたスタックドキューブからのスペクトル抽出により、高SN比スペクトルを取得する。
• GAMA G09領域の267個のVLAポイントに対して重み付きスターミングを実施し、合計3,622個の銀河をカバーする。
• DINGO-VLAデータセットの既知のPSFおよびノイズ特性を用いて、ビームおよび感度の影響を補正する。
• 部分的に分解能が低い源からのフラックス回復のため、デコンボリューションアルゴリズムを適用し、混信補正の必要性を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能干渉計データを用いて、z ≈ 0.051における宇宙的中性水素密度（ΩH I）は何か？
• RQ2 z ≈ 0.05からより高い赤方偏移（例：z > 2）の間で、銀河のH i含有量に顕著な進化は見られるか？
• RQ3 uvカバレッジが悪く非ガウス的ビームを有する干渉計データから、キューブレットスターミング法が平均H iフラックスを的確に回復できるか？
• RQ4 本手法から得られたH i質量関数およびΩH Iは、従来の単一電波望遠鏡およびDLAベースの測定とどのように一致するか？
• RQ5 残りのDINGO-VLAデータを用いて、この手法をz ∼ 0.3までH i進化を調査するのにどの程度拡張可能か？

主な発見

• スタックスペクトルは30σのH i放射検出をもたらし、1銀河あたりの平均H i質量は(1.674 ± 0.183) × 10⁹ M⊙に相当する。
• 得られた宇宙的中性水素密度はz = 0.051でΩH I = (0.377 ± 0.042) × 10⁻³であり、以前の測定と一貫している。
• この結果は、z ≈ 0.05以降にわたるΩH Iに顕著な進化がないことを示しており、銀河のH i含有量がこの間比較的安定であったことを示唆している。
• キューブレットスターミング法は、短時間のVLA観測に起因するビームおよび sidelobe 効果を効果的に緩和し、正確なフラックス回復を可能にした。
• この手法は、銀河規模での分解能により、単一電波望遠鏡研究で必要な混信補正を回避できた。
• 測定結果は、Davéら（2017）の流体力学的モデル（ΩH I ∝ (1 + z)⁰.⁷⁴）と非常に良好に一致しており、低赤方偏移におけるその妥当性を支持している。