[論文レビュー] Observations of the Intergalactic Medium and the Cosmic Web in the SKA era

Attila Popping, M. Meyer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、スカイ・キロメートルアレイ（SKA）が、中性水素（HI）の21cm線放射を用いた深さと高解像度の調査を可能にすることで、銀河間媒体（IGM）および宇宙の網状構造の観測を画期的に進展させると提案している。これは、$10^{16}$ cm$^{-2}$の低列密度まで到達するが、現在の干渉計よりも1桁深い感度を実現し、初めて拡散ガスの filament を解像可能にする。SKAフェーズ1では、100時間の積算後に15"解像度で$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$を検出可能である。

ABSTRACT

The interaction of galaxies with their environment, the Intergalactic Medium (IGM), is an important aspect of galaxy formation. One of the most fundamental, but unanswered questions in the evolution of galaxies is how gas circulates in and around galaxies and how it enters the galaxies to support star formation. We have several lines of evidence that the observed evolution of star formation requires gas accretion from the IGM at all times and on all cosmic scales. This gas remains largely unaccounted for and the outstanding questions are where this gas resides and what the physical mechanisms of accretion are. The gas is expected to be embedded in an extended cosmic web made of sheets and filaments. Such large-scale filaments of gas are expected by cosmological numerical simulations, which have made significant progress in recent years. Such simulations do not only model the large scale structure of the cosmic web, but also investigate the neutral gas component. To truly make significant progress in understanding the distribution of neutral hydrogen in the IGM, column densities of NHI=10^18 cm-2 and below have to be probed over large areas on the sky at sub-arcminute resolution. These are the densities of the faintest structures known today around nearby galaxies, though mostly found with single dish telescopes which do not have the resolution to resolve these structures and investigate any kinematics. Existing interferometers lack the collecting power or short baselines to achieve brightness sensitivities typically below NHI=10^19 cm-2. Reaching lower column densities with current facilities is feasible, however requires prohibitively long observing times. The SKA will for the first time break these barriers, enabling interferometric observations an order of magnitude deeper than current interferometers and with an order of magnitude better linear resolution than single-dish telescopes.

研究の動機と目的

• 銀河にガスがどのように銀河間媒体（IGM）から降着して星形成を駆動するかという根本的な理解のギャップを埋めること。
• シミュレーションで予測されているが、観測的に確認されていない、宇宙の網状構造における微弱で拡散した中性水素 filament の検出を可能にすること。
• SKAフェーズ1が、現在の干渉計よりも1桁深い輝度感度を達成し、1分未満の解像度でIGMを解像可能であることを示すこと。
• SKA1-MIDおよびSKA1-SURが、広範囲の天の川にわたり低列密度HIガスの画像化に果たす科学的潜在能力を予測すること。
• SKA1を用いた個々の銀河の標的観測により、$N_{\text{HI}} \sim 10^{17}$ cm$^{-2}$まで降着フローを調べられ、構造的細部や filament 状の降着を明らかにできることを示すこと。

提案手法

• SKAのベースライン設計（Dewdney et al. 2013）の性能シミュレーションを用いて、SKA1-MIDおよびSKA1-SURの感度と解像度を予測する。
• この手法は、1.42 GHzにおける中性水素（HI）の21cm線放射干渉測定に依存し、$10^{15}$から$10^{18}$ cm$^{-2}$の列密度に感度を持つ。
• 積算時間のスケーリングを用いて感度予測を導出し、SKA1-MIDでは0.46 deg$^2$の領域で100時間、SKA1-SURでは18 deg$^2$の領域で10時間の積算を想定する。
• SKAベースライン設計における電波望遠鏡の対数的分布を仮定し、解像度スケールにわたるノイズが比較的一定になるようにする。
• 既存のHIプロジェクトを活用し、低解像度に再処理することで感度を向上させるため、追加の観測なしにIGM研究が可能になる。
• シミュレーションでは、SKA1が100時間の積算後に0.46 deg$^2$の領域で15"解像度、1.42 GHzで$5\sigma$感度$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$を達成することが予測されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA1は、$10^{19}$ cm$^{-2}$未満の列密度のIGM内の中性水素を検出可能か。現在の干渉計では限界に達している。
• RQ2 SKA1は、1分未満の解像度で、宇宙の網状構造内の拡散HI filament の運動学的・形態的特徴を解像可能か。
• RQ3 SKA1-MIDおよびSKA1-SURを用いた個々の銀河の標的観測で、最小でどの程度のHI列密度が検出可能か。
• RQ4 SKA1の感度と解像度は、既存の単一電波望遠鏡および干渉計施設と比較して、IGM研究においてどのように異なるか。
• RQ5 SKA1は、偏りのない広範囲のIGM調査を実施し、拡散ガスを検出し、宇宙の網状構造の配置を追跡可能か。

主な発見

• SKA1-MIDは、100時間の積算後に0.46 deg$^2$の領域で15"解像度、1.42 GHzで$5\sigma$感度$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$を達成する。
• SKA1-SURは、10時間の積算後に18 deg$^2$の領域で15"解像度、全周波数帯域で$N_{\text{HI}} \sim 10^{19}$ cm$^{-2}$を達成する。
• SKA1は、現在の干渉計よりも1桁深い輝度感度を達成し、単一電波望遠鏡よりも1桁優れた解像度を実現する。
• SKA1の50％が完成した段階でも、低解像度IGM画像化に必要な科学的性能の50％以上を達成可能であり、特に短基線と高い集光面積のおかげである。
• 完全なSKA（フェーズ2）では、感度がさらに1桁向上し、全天空で10"解像度で$N_{\text{HI}} \sim 10^{17}$ cm$^{-2}$を検出可能となり、標的観測では1分解像度で$N_{\text{HI}} \sim 10^{16}$ cm$^{-2}$を検出可能になる。
• SKA1は、1分未満の解像度で拡散IGMガスの最初の解像画像を可能にし、宇宙論的シミュレーションで予測された filament 内のガスを検出することで、冷媒モード降着の直接的証拠を提供する。