[논문 리뷰] HI as a Probe of the Large Scale Structure in the Post-Reionization Universe: Visibility Correlations and Prospects for Detection

Nishikanta Khandai, Kanan K. Datta외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 26.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 라디오 천체망원경에서의 복사수렴 상관관계를 이용하여 재이온화 이후 우주에서 중성수소(HI)의 통계적 및 직접 탐지 가능성을 조사한다. 시뮬레이션된 HI 지도를 바탕으로, MWA는 재이온화 이후의 모든 가용한 적색편이에서 큰 각도 척도에서 HI 복사수렴 상관관계를 탐지할 수 있음을 보여주며, GMRT는 z = 1.3에서 통계적 탐지가 가능하고, 1,000시간 이내의 통합 시간 내에 희귀한 HI 피크를 직접 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Simulated maps of the HI distribution in the post-reionization era are used to study the prospects for detection with existing and upcoming radio telescopes. We consider detection in the redshifted radiation from the hyperfine transition with a rest frame frequency of 1420 MHz. Possibility of a statistical detection using visibility correlations is discussed. We show that the MWA (Murchison Widefield Array) and the GMRT (Giant Meterwave Radio Telescope) can potentially detect signal from the HI distribution at high redshifts. MWA can detect visibility correlations at large angular scales at all redshifts accessible to it in the post-reionization era. The GMRT can detect visibility correlations at lower redshifts, specifically there is a strong case for a survey at z = 1.3. We also discuss prospects for direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT. We show that direct detection should be possible with integration time that is comparable to, or even less than, the time required for a statistical detection. Specifically, it is possible to make a statistical detection of the HI distribution by measuring the visibility correlation, and, direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT in less than 1000 hours of observations.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 이후 우주에서 복사수렴 기법을 이용한 중성수소(HI) 탐지 가능성 평가.
• 기존 및 향후 라디오 천체망원경(MWA 및 GMRT 등)의 고적색편이에서의 HI 신호 감도 평가.
• 희귀한 고밀도 HI 피크의 직접 탐지가 통계적 탐지에 비해 더 짧은 통합 시간으로 가능할지 판단.
• 현재 장비를 최대한 활용하여 탐지 가능성을 극대화할 수 있는 최적의 적색편이 및 관측 전략 규명.

제안 방법

• 우주의 재이온화 이후 중성수소(HI) 분포를 천체물리 모델을 사용해 시뮬레이션.
• 1420 MHz의 정지 주파수에서의 HI 적색편이 21cm 신호의 복사수렴 상관함수 계산.
• 다양한 적색편이에서 MWA 및 GMRT가 이러한 복사수렴 상관관계에 어떻게 반응하는지 모델링.
• 복사수렴 측정을 통한 통계적 탐지를 위한 필요 통합 시간 추정.
• 동일한 장비를 사용하여 희귀한 고대비 HI 피크의 직접 탐지 가능성 평가.
• 복사수렴 상관관계를 통한 통계적 탐지와 고립된 피크의 직접 탐지 간의 통합 시간 요구 조건 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MWA의 복사수렴 측정을 통해 재이온화 이후 우주 전반에서 HI를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 GMRT는 어느 적색편이에서 복사수렴 상관관계를 통한 HI 통계적 탐지가 가능한가?
• RQ3 GMRT로 희귀한 고대비 HI 피크를 통계적 탐지에 필요한 시간보다 짧은 통합 시간 내에 직접 탐지할 수 있는가?
• RQ4 GMRT 및 MWA를 사용한 HI의 통계적 탐지와 직접 탐지에 필요한 통합 시간은 각각 얼마인가?

주요 결과

• MWA는 재이온화 이후 시대의 모든 가용 적색편이에서 큰 각도 척도에서 HI 복사수렴 상관관계를 탐지할 수 있다.
• GMRT는 z = 1.3에서 HI의 통계적 탐지 가능성이 높으며, 더 낮은 적색편이에서는 복사수렴 상관관계 측정이 가능하다.
• GMRT를 사용해 1,000시간 이내의 통합 시간으로 희귀한 고대비 HI 피크의 직접 탐지가 가능하다.
• 희귀한 HI 피크의 직접 탐지에 필요한 통합 시간은 복사수렴 상관관계를 통한 통계적 탐지에 필요한 시간과 유사하거나, 그것보다 짧을 수 있다.
• 복사수렴 상관관계 기법은 현재의 라디오 천체망원경을 활용해 재이온화 이후 우주에서 HI의 탐지 가능 통계적 경로를 제공한다.
• GMRT의 감도는 통계적 탐지뿐 아니라 직접 탐지도 가능하게 하며, 후자의 경우 실용적인 관측 시간 범위 내에서 이뤄질 수 있다.