[论文解读] A JVLA 10~degree^2 deep survey

M. J. Jarvis, S. Bhatnagar+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出利用卡爾·延斯克·非常大陣列（JVLA）在L波段進行10平方度的深空射電巡天，達到1.5 µJy的敏感度，從而實現對紅移z ~ 1以內的星系形成星系以及紅移z ~ 6以內的明亮紅外星系的探測。該巡天將提供宇宙時間跨度內恆星形成與活動星系核（AGN）活動的完整普查，具備全斯托克斯偏振與譜線能力，解決宇宙方差問題，並透過先進的方向依賴校準技術實現高動態範圍成像。

ABSTRACT

(Abridged)One of the fundamental challenges for astrophysics in the 21st century is finding a way to untangle the physical processes that govern galaxy formation and evolution. Given the importance and scope of this problem, the multi-wavelength astronomical community has used the past decade to build up a wealth of information over specific extragalactic deep fields to address key questions in galaxy formation and evolution. These fields generally cover at least 10square degrees to facilitate the investigation of the rarest, typically most massive, galaxies and AGN. Furthermore, such areal coverage allows the environments to be fully accounted for, thereby linking the single halo to the two-halo terms in the halo occupation distribution. Surveys at radio wavelengths have begun to lag behind those at other wavelengths, especially in this medium-deep survey tier. However, the survey speed offered by the JVLA means that we can now reach a point where we can begin to obtain commensurate data at radio wavelengths to those which already exists from the X-ray through to the far-infrared over ~10 square degrees. We therefore present the case for a 10 square degree survey to 1.5uJy at L-band in A or B Array, requiring ~4000 hours to provide census of star-formation and AGN-accretion activity in the Universe. For example, the observations will allow galaxies forming stars at 10Msolar/yr to be detected out to z~1 and luminous infrared galaxies (1000Msolar/yr to be found out to z~6. Furthermore, the survey area ensures that we will have enough cosmic volume to find these rare sources at all epochs. The bandwidth will allow us to determine the polarisation properties galaxies in the high-redshift Universe as a function of stellar mass, morphology and redshift.

研究动机与目标

• 為克服目前缺乏深空、大面積射電巡天的現狀，提供一項10 deg²的巡天，以檢測宇宙時間跨度內的恆星形成與AGN活動。
• 透過覆蓋足夠體積以最小化宇宙方差，實現對射電噪聲源（包括稀有、高紅移星系與AGN）的完整普查。
• 透過先進的方向依賴校準與A-投影技術，實現Stokes I、Q、U與V的高動態範圍成像。
• 提供與現有多波段巡天（如COSMOS、XMM-LSS、ECDFS）兼容的射電數據集，以支援多波段分析。
• 透過提供高紅移射電源目錄，支援未來的公民科學計畫（如Radio Galaxy Zoo）

提出的方法

• 在L波段（1-2 GHz）對10 deg²區域進行深空、大面積的JVLA巡天，目標敏感度為每 beam 1.5 µJy。
• 在CASA中使用A-投影校準，以校正隨頻率變化的離軸複數增益與偏振串擾，並依賴方位角變化進行修正。
• 利用MeqTrees與HPC優化之資料處理流程，執行方向依賴校準，以減輕強源與 sidelobe 所產生的偽影。
• 使用全斯托克斯、全帶寬資料，透過多點指向拼接技術，實現熱噪限制下的成像。
• 利用XMM-LSS與ECDFS等場域現有的深空光學與X射線資料，支援源的交叉辨識與環境分析。
• 將巡天資料整合至公民科學平台（如Radio Galaxy Zoo），以進行源形態與紅移特徵的分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 從z = 0至z = 6，星系形成星系與AGN的射電光度函數完整演化為何？
• RQ2 恆星形成率密度如何隨宇宙時間演化？其與星系環境與形態的相關性為何？
• RQ3 高紅移星系的偏振特性如何隨恆星質量、形態與紅移而變化？
• RQ4 方向依賴校準技術如何在複雜、源密集的場域中實現超過300萬:1的動態範圍？
• RQ5 深度為10 deg²的射電巡天在多大程度上可克服檢測稀有、大質量星系與AGN時的宇宙方差問題？

主要发现

• 該巡天將能檢測到紅移z ~ 1以內、恆星形成率10 M⊙ yr⁻¹的星系形成星系，以及紅移z ~ 6以內、恆星形成率1000 M⊙ yr⁻¹的明亮紅外星系，從而實現對高活動源的完整普查。
• 在累積4000小時的觀測下，巡天在L波段可達1.5 µJy的敏感度，足以探測宇宙時間跨度內射電光度函數的微弱端。
• 使用A-投影的方向依賴校準可實現最高達3,200,000:1的動態範圍，有效消除強源與側瓣所產生的PSF類偽影。
• 巡天將提供全斯托克斯、全帶寬成像，使得以根據質量與形態研究高紅移星系的偏振特性。
• 10 deg²的面積確保足夠的宇宙體積，可檢測所有紅移下稀有、大質量星系與AGN，有效最小化宇宙方差。
• 巡天場域（XMM-LSS與ECDFS）極為理想，因其已有深空多波段資料，可支援穩健的交叉辨識與環境分析。