[论文解读] Astro2020 Science White Paper: Synergies Between Galaxy Surveys and Reionization Measurements

Steven R. Furlanetto, Adam P. Beardsley+48 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本白皮书主张，将近红外星系巡天与对宇宙再电离过程的直接21厘米测量相结合，是全面理解再电离 epoch 的关键。通过将对明亮星系的详细观测与大尺度21厘米断层成像相结合，本文倡导开展协调的巡天工作和改进成像技术，以约束负责电离星际介质的明亮和暗淡星系。

ABSTRACT

The early phases of galaxy formation constitute one of the most exciting frontiers in astrophysics. It is during this era that the first luminous sources reionize the intergalactic medium - the moment when structure formation affects every baryon in the Universe. Here we argue that we will obtain a complete picture of this era by combining observations of galaxies with direct measurements of the reionization process: the former will provide a detailed understanding of bright sources, while the latter will constrain the (substantial) faint source population. We further describe how optimizing the comparison of these two measurements requires near-infrared galaxy surveys covering large volumes and retaining redshift information and also improvements in 21-cm analysis, moving those experiments into the imaging regime.

研究动机与目标

• 通过整合对明亮星系的观测与对再电离过程的直接测量，建立对再电离 epoch 的全面理解。
• 解决仅依靠星系巡天在捕捉负责再电离的全部星系群体（尤其是暗淡和低光度星系）方面的局限性。
• 强调需要开展大体积、近红外星系巡天，以保留红移信息，从而绘制明亮星系的演化图景。
• 倡导将21厘米实验推进至成像领域，以实现对再电离期间中性氢分布的断层重建。
• 通过结合星系计数与全球21厘米信号的约束，实现对再电离过程的完整图景。

提出的方法

• 提出将深度、大范围的近红外星系巡天数据与21厘米功率谱及亮度温度测量相结合，以追踪再电离历史。
• 强调红移分辨星系巡天的重要性，以绘制再电离期间明亮星系的演化图景。
• 呼吁改进21厘米分析技术，实现从功率谱测量向全天空、断层成像的过渡，以重建21厘米信号。
• 强调需要采用多波段、多信使方法，以交叉校准星系光度函数与中性氢分布。
• 依赖对星际介质和辐射转移的理论建模，以解释星系与21厘米数据之间的协同效应。
• 倡导未来望远镜（如JWST、SKA、HERA）之间协调的观测策略，以最大化对再电离过程的约束能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何最优地结合星系巡天与21厘米测量，以约束再电离期间全部星系群体？
• RQ2 暗淡、低光度星系在驱动再电离过程中扮演何种角色？如何通过与21厘米数据的协同作用加以探测？
• RQ3 与全球信号测量相比，21厘米断层成像在多大程度上能改善对再电离过程时间与形态的约束？
• RQ4 何种观测策略能最大化近红外星系巡天与21厘米成像实验之间的协同效应？
• RQ5 如何利用红移分辨星系函数校准并验证再电离期间的21厘米亮度温度图？

主要发现

• 星系巡天与21厘米测量之间的协同作用对于约束负责再电离的明亮与暗淡星系群体至关重要。
• 具有红移信息的大体积近红外星系巡天对于绘制再电离期间明亮星系的演化图景至关重要。
• 将21厘米实验推进至成像领域，可实现中性氢分布的断层重建，显著提升动态范围与分辨率。
• 结合星系计数与21厘米功率谱，可对早期星系的离化效率与占空比施加更严格的约束。
• 通过将21厘米数据与星系巡天交叉校准，可弥补当前对暗淡星系探测的观测空白，因为21厘米数据对总电离发射率敏感。
• JWST、HERA与SKA等望远镜之间的协调观测计划对于实现对再电离过程的完整、自洽图景至关重要。