[论文解读] An Overview of the MHONGOOSE Survey: Observing Nearby Galaxies with MeerKAT

W. J. G. de Blok, Elizabeth A. K. Adams+66 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 9

一句话总结

MHONGOOSE 是一项深度、高分辨率的 MeerKAT 巡天项目，对 30 个邻近星系中的中性氢（H i）进行测绘，覆盖了 H i 质量和面密度五个数量级的范围，实现了高达 ~5.5×10¹⁷ cm⁻² 的前所未有的灵敏度。该研究首次全面揭示了低面密度气体、冷吸积以及近邻宇宙中磁场的特性，提供了一项预示平方公里阵列（SKA）时代科学的遗产数据集。

ABSTRACT

MHONGOOSE is a deep survey of the neutral hydrogen distribution in a representative sample of 30 nearby disk and dwarf galaxies with HI masses from 10^6 to ~10^{11} M_sun, and luminosities from M_R ~ -12 to M_R ~ -22. The sample is selected to uniformly cover the available range in log(M_HI). Our extremely deep observations, down to HI column density limits of well below 10^{18} cm^{-2} - or a few hundred times fainter than the typical HI disks in galaxies - will directly detect the effects of cold accretion from the intergalactic medium and the links with the cosmic web. These observations will be the first ever to probe the very low-column density neutral gas in galaxies at these high resolutions. Combination with data at other wavelengths, most of it already available, will enable accurate modelling of the properties and evolution of the mass components in these galaxies and link these with the effects of environment, dark matter distribution, and other fundamental properties such as halo mass and angular momentum. MHONGOOSE can already start addressing some of the SKA-1 science goals and will provide a comprehensive inventory of the processes driving the transformation and evolution of galaxies in the nearby universe at high resolution and over 5 orders of magnitude in column density. It will be a Nearby Galaxies Legacy Survey that will be unsurpassed until the advent of the SKA, and can serve as a highly visible, lasting statement of MeerKAT's capabilities.

研究动机与目标

• 在 30 个邻近的盘状星系和矮星系中，对中性氢（H i）分布进行测绘，覆盖完整的 H i 质量范围（10⁶–10¹¹ M☉）和光度范围（M_R ≈ −12 至 −22）。
• 实现极高的灵敏度，探测面密度低于 10¹⁸ cm⁻² 的 H i，从而实现对来自星系际介质的冷吸积流的直接探测，并研究宇宙网的影响。
• 提供本地星系中重子循环的高分辨率、高动态范围图谱——包括气体流入、恒星形成、反馈作用以及与暗物质的相互作用。
• 提供一份全面的多波段遗产数据集，其科学价值将保持领先，直至平方公里阵列（SKA）正式运行。
• 利用 L 波段偏振连续谱观测，研究银河系磁场的三维结构与演化。

提出的方法

• 利用 MeerKAT 的大基线分布和短基线配置，开展深度、大视场的 H i 21 cm 谱线观测，以实现高灵敏度和高动态范围。
• 在 30″ 分辨率下实现 3σ 面密度极限为 7.5×10¹⁸ cm⁻²，在 90″ 分辨率下达到 5.5×10¹⁷ cm⁻²，从而能够探测星系晕中低面密度 H i。
• 将 H i 数据与现有的多波段数据（光学、红外、射电）结合，用于建模质量组分、暗物质分布及角动量演化。
• 对宽带偏振数据应用旋转量测量合成与 QU 拟合技术，以测绘磁场结构并探测弥散同步辐射发射。
• 利用仪器精度达 23 rad m⁻²（信噪比 >8 时有效精度 <1 rad m⁻²），以解析星际介质中约 20 nG 的 kpc 尺度磁场涨落。
• 利用 MeerKAT 的高灵敏度（对超深目标为 0.15 μJy beam⁻¹），探测弥散偏振发射，并恢复背景偏振源（信噪比 ≥10 时密度 ≥100 deg⁻²）。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自星系际介质的冷吸积流在邻近星系的低面密度 H i 分布中如何表现？
• RQ2 磁场在调控星系延伸盘和晕区气体动力学及恒星形成中的作用是什么？
• RQ3 低面密度 H i 气体的形态与运动学特征如何与暗物质晕结构及环境效应相关联？
• RQ4 星际介质中的磁场涨落在多大程度上可与 kpc 尺度的恒星形成活动和湍流相联系？
• RQ5 不同旋转速度和恒星形成率的星系中，其磁场特性如何变化？

主要发现

• MHONGOOSE 在 90″ 分辨率下实现 3σ H i 面密度灵敏度达 5.5×10¹⁷ cm⁻²，首次实现对低于 10¹⁸ cm⁻² 面密度 H i 的高分辨率、深度测绘。
• 得益于 MeerKAT 优越的短基线灵敏度，该巡天探测到的 H i 范围达到典型 H i 盘半径的两倍，远超以往巡天。
• 偏振观测实现 <1 rad m⁻² 的法拉第旋转测量精度（对良好检测源），可探测到约 20 nG 的 kpc 尺度磁场涨落。
• 即使目标星系本身无强发射，弥散偏振同步辐射发射也预计可在 D₂₅ 光学直径之外被探测到。
• 该巡天在信噪比 ≥10 时可恢复背景源密度 ≥100 deg⁻²，从而可通过前景 RM 测量实现大尺度磁场测绘。
• MHONGOOSE 首次在 H i 质量和面密度跨越五个数量级的范围内，提供了本地星系中重子循环的多尺度、全面视图，形成了一项在 SKA 时代之前无可匹敌的遗产数据集。