[論文レビュー] Exploring Neutral Hydrogen and Galaxy Evolution with the SKA

S.-L. Blyth, J. M. van der Hulst+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、電波望遠鏡のスケール・キロメートルアレイ（SKA）が、中性水素（H i）の研究を画期的に変える方法を概説している。SKAにより、z ≈ 0.2 から z ≈ 2 の範囲で、高解像度かつ高感度の観測が可能となり、宇宙の歴史にわたるガスの含有量、運動、流入・流出を追跡できる。SKA1およびSKA2を用いることで、多様な環境におけるH iの進化をマッピングし、理論的モデルの検証に用いられる、前例のない深さと動的範囲を達成する。また、宇宙における星形成のピーク時（z ≈ 2）にさかのぼるバリオンサイクルの追跡が可能となる。

ABSTRACT

One of the key science drivers for the development of the SKA is to observe the neutral hydrogen, HI, in galaxies as a means to probe galaxy evolution across a range of environments over cosmic time. Over the past decade, much progress has been made in theoretical simulations and observations of HI in galaxies. However, recent HI surveys on both single dish radio telescopes and interferometers, while providing detailed information on global HI properties, the dark matter distribution in galaxies, as well as insight into the relationship between star formation and the interstellar medium, have been limited to the local universe. Ongoing and upcoming HI surveys on SKA pathfinder instruments will extend these measurements beyond the local universe to intermediate redshifts with long observing programmes. We present here an overview of the HI science which will be possible with the increased capabilities of the SKA and which will build upon the expected increase in knowledge of HI in and around galaxies obtained with the SKA pathfinder surveys. With the SKA1 the greatest improvement over our current measurements is the capability to image galaxies at reasonable linear resolution and good column density sensitivity to much higher redshifts (0.2 < z < 1.7). So one will not only be able to increase the number of detections to study the evolution of the HI mass function, but also have the sensitivity and resolution to study inflows and outflows to and from galaxies and the kinematics of the gas within and around galaxies as a function of environment and cosmic time out to previously unexplored depths. The increased sensitivity of SKA2 will allow us to image Milky Way-size galaxies out to redshifts of z=1 and will provide the data required for a comprehensive picture of the HI content of galaxies back to z~2 when the cosmic star formation rate density was at its peak.

研究の動機と目的

• SKAを用いて、宇宙の歴史にわたる銀河における包括的で高解像度・高感度のH i調査を可能にすること。
• 現在のH i観測を局所宇宙（z < 0.25）から、感度と解像度を向上させた高赤方偏移領域（z < 1.7）に拡張すること。
• 銀河の周囲におけるガスの流入・流出・降着を、さまざまな環境で宇宙の歴史にわたって追跡すること。
• H i質量関数、ガスの運動学、H i含有量の環境依存性を測定することで、銀河進化の理論的モデルを検証すること。
• z ≈ 2の宇宙における星形成のピーク期に、H i含有量とその進化の包括的な画像を提供すること。

提案手法

• SKA1およびSKA2を用いて、2”の角分解能と、約10^20 cm⁻²までの面密度感度を有する深さのある広域H i調査を実施すること。
• 100 deg²の領域をカバーするような調査戦略を設計し、面積カバー率、積分時間、解像度のバランスを最適化することで、z < 1.7（SKA1）およびz ≈ 2（SKA2）における銀河のH i検出を最適化すること。
• 感度および解像度のスケーリング則を用いて、異なる赤方偏移および距離における10時間積分でのH i質量検出限界を推定すること。
• S3-SAXシミュレーションおよび電波望遠鏡のシミュレーションを用いて、提案された調査の期待される源分布および赤方偏移カバー範囲をモデル化すること。
• ASKAP、MeerKAT、APERTIFなどのSKAパスファイナー機器からのデータを活用し、SKA1のフォローアップ科学および調査設計を支援すること。
• H iデータと多波長観測、および流体力学的・準古典的モデルを組み合わせることで、ガスの運動学的特性と環境的要因の影響を解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 0.2 から z ≈ 1.7 にかけてH i質量関数はどのように進化するのか。これはガスの貯留と星形成効率に関する何を明らかにするか？
• RQ2 中間赤方偏移領域における銀河のガス流入・流出の運動学的特徴は何か。環境によってその特徴はどのように変化するか？
• RQ3 ミルキーウェイサイズの銀河のH i含有量は、z ≈ 1 から z ≈ 2 にかけてどのように変化するのか。これは宇宙における星形成ピーク期に何を示唆するか？
• RQ4 SKA1およびSKA2は、z > 0.5の銀河におけるH i分布を十分な感度と解像度で解明できるか。
• RQ5 SKAは、z ≈ 2におけるライマン限界系のH i含有量を検出・特徴付けられるか。これはバリオンサイクルに何を示唆するか？

主な発見

• SKA1は、z ≈ 1.7までの銀河におけるH iイメージングを、2”の角分解能と約10^20 cm⁻²の面密度感度で可能にし、現在の施設と比べて顕著に向上する。
• SKA2は、z ≈ 1までのミルキーウェイサイズの銀河に対して光学品質のH iイメージングを実現し、z ≈ 2におけるH i質量を約10^9 M⊙まで検出可能な感度を有する。
• SKA1の調査戦略は、100 deg²の領域を最適化しており、感度と解像度がパスファイナー調査と同等の水準で、z ≈ 0.1 から 0.5 の赤方偏移をカバーし、高赤方偏移H iシステムのフォローアップを可能にする。
• SKA2は、現在からz ≈ 2まで、H iの進化を包括的に把握するためのデータを提供する。これは、宇宙における星形成率密度がピークに達した時期にさかのぼる。
• SKA1とSKA2の調査を組み合わせることで、宇宙の歴史にわたって数千ものH i豊富な銀河を検出可能となり、ガス含有量、運動学的特性、環境依存性に関する統計的分析が可能になる。
• 感度推定によれば、SKA1は10時間積分でz ≈ 0.5におけるH i質量約8×10^9 M⊙を検出可能であり、これは標準的なM_HI*値と一致する。さらに、解像度を向上させることで、より高い赤方偏移領域への能力を拡張できる。