[論文レビュー] The 21 cm Forest: Radio Absorption Spectra as a Probe of the Intergalactic Medium Before Reionization

Steven R. Furlanetto, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2002

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、再電離以前の銀河間媒体（IGM）を調査するために、高赤方偏移の電波源に向かう21 cm電波吸収スペクトルの利用を提案する。ミニハロおよび原始銀河ディスクからの吸収をモデル化することで、次世代の電波望遠鏡（SKA や LOFAR）がこれらの特徴を検出可能であることを示し、IGM の温度および放射背景の時間的変化の測定が可能になる。ガンマ線バースト（GRB）の宿主銀河からの吸収は、スペクトル的赤方偏移のプローブとして機能する。

ABSTRACT

We study the absorption along lines of sight toward high-z radio sources caused by the 21 cm transition of neutral hydrogen in the intergalactic medium (IGM) before reionization. Using semi-analytic methods, we compute the number density of observable features caused by both ``minihalos'' (bound objects that are unable to cool efficiently because of their small virial temperatures) and protogalactic disks. We show that both sets of features should be observable by the next generation of low-frequency radio telescopes, including the Low Frequency Array and the Square Kilometer Array, provided that sufficiently bright background sources exist. The statistics of minihalo absorption features seen along lines of sight to radio-loud quasars offer a way to measure the evolution of the radiation background and the IGM temperature with cosmic time. Intersections with disks are much less common, but also cause much deeper absorption features that would be visible in the spectra of both radio-loud quasars and gamma-ray bursts (GRBs). The absorption feature caused by HI in the host galaxy of a GRB should be observable, offering a route to spectroscopically determine the burst redshift.

研究の動機と目的

• 宇宙再電離以前の銀河間媒体（IGM）における中性水素の21 cm吸収特徴の検出可能性を調査すること。
• 次世代の低周波電波望遠鏡を用いたミニハロおよび原始銀河ディスクからの吸収特徴の観測可能性を評価すること。
• 電波活性なクェーサーの視線方向に沿う吸収統計が、IGM の温度および放射背景の時間的変化をどのように制約するかを検討すること。
• ガンマ線バースト（GRB）の宿主銀河における HI 吸収の検出可能性を評価し、スペクトル的赤方偏移の診断手法としての可能性を検討すること。

提案手法

• 再電離前のIGMにおけるミニハロおよび原始銀河ディスクの分布および性質を、半アナリティカル手法を用いてモデル化すること。
• 高赤方偏移の電波源に向かう視線方向に沿った、観測可能な21 cm吸収特徴の数密度を計算すること。
• 電源の明るさおよび望遠鏡の感度を含む現実的な条件下でのこれらの特徴の検出可能性を評価すること。
• 電波およびガンマ線バーストの後光スペクトルにおける、ミニハロおよび原始銀河ディスクからの吸収特徴の深さと検出可能性を評価すること。
• LOFAR や SKA といった次世代の低周波アレイを想定した文脈で、吸収特徴の期待される信号対雑音比をモデル化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の低周波電波望遠鏡は、ミニハロおよび原始銀河ディスクからの21 cm吸収特徴を検出可能か？
• RQ2 クェーサーの視線方向に沿うミニハロ吸収特徴の統計は、IGM の温度および放射背景の時間的変化をどのように制約するか？
• RQ3 電波活性なクェーサーおよびガンマ線バーストの後光における、原始銀河ディスクからの吸収特徴の期待される深さと検出可能性は何か？
• RQ4 ガンマ線バーストの宿主銀河における HI 吸収は、スペクトル的赤方偏移測定のための観測が可能か？

主な発見

• ミニハロからの吸収特徴は統計的に豊富であり、背景電波源が十分に明るければ、Low Frequency Array（LOFAR）および Square Kilometer Array（SKA）によって検出可能であると予想される。
• 原始銀河ディスクからの吸収特徴はめったに発生するが、非常に深い吸収を示すため、電波活性なクェーサーおよびガンマ線バーストの後光スペクトルにおいても検出可能である可能性がある。
• クェーサーの視線方向に沿うミニハロ吸収特徴の統計は、IGM の温度および宇宙放射背景の時間的変化を測定するための実用的な手法を提供する。
• ガンマ線バーストの宿主銀河における HI の21 cm吸収特徴は観測可能と予想され、バーストの赤方偏移を直接的に決定するスペクトル的ルートを提供する。