[论文解读] 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 5

一句话总结

本文概述了平方公里阵列（SKA）将如何彻底革新对星系中中性氢（H i）的研究，使从 z ≈ 0.2 到 z ≈ 2 的高分辨率、高灵敏度观测成为可能，从而追踪宇宙时空中气体含量、运动学以及流入/流出现象。通过 SKA1 和 SKA2，研究人员将能够绘制不同环境中 H i 的演化图景，实现前所未有的深度与动态范围，以检验星系形成模型，并追溯重子循环至 z ≈ 2 左右宇宙恒星形成高峰时期。

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.

研究动机与目标

• 利用 SKA 实现对宇宙时空中星系的全面、高分辨率、高灵敏度 H i 巡天。
• 将当前 H i 观测从本地宇宙（z < 0.25）扩展至高红移区域（z < 1.7），并提升灵敏度与分辨率。
• 追踪不同环境中星系内部及周围区域的重子循环——包括气体流入、流出与吸积——随宇宙时间的演化。
• 通过测量 H i 质量函数、气体运动学以及 H i 含量的环境依赖性，检验星系演化理论模型，直至 z ≈ 2。
• 在 z ≈ 2 宇宙恒星形成高峰时期，提供 H i 含量与演化的完整图景。

提出的方法

• 利用 SKA1 和 SKA2 开展深度、大范围覆盖的 H i 直径巡天，角分辨率达 2”，面密度灵敏度低至 ~10^20 cm⁻²。
• 设计兼顾覆盖面积、积分时间与分辨率的巡天策略，以优化对 z < 1.7（SKA1）和 z ≈ 2（SKA2）星系中 H i 的探测。
• 应用灵敏度与分辨率的标度定律，估算在不同红移与距离下，10 小时积分时间的 H i 质量探测极限。
• 利用 S3-SAX 模拟与望远镜模拟，建模所提议巡天的预期源分布与红移覆盖范围。
• 借助 SKA 前导仪器（如 ASKAP、MeerKAT、APERTIF）的数据，为 SKA1 后续科学与巡天设计提供依据。
• 结合 H i 数据与多波段观测，以及流体动力学/半经验模型，解释气体运动学与环境效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z ≈ 0.2 到 z ≈ 1.7，H i 质量函数如何演化？这揭示了气体储库与恒星形成效率的哪些信息？
• RQ2 在中等红移星系中，气体流入与流出的运动学特征是什么？这些特征如何随环境变化？
• RQ3 在 z ≈ 1 到 z ≈ 2 之间，银河系大小星系的 H i 含量如何演化？这对宇宙恒星形成高峰时期意味着什么？
• RQ4 SKA1 与 SKA2 在 z > 0.5 时，能在足够灵敏度与分辨率下解析星系内及周围的 H i 分布到何种程度？
• RQ5 SKA 能否探测并表征 z ≈ 2 处的莱曼极限系统中的 H i 含量？这对重子循环意味着什么？

主要发现

• SKA1 将实现对红移高达 z ≈ 1.7 的星系进行 H i 成像，角分辨率达 2”，面密度灵敏度达 ~10^20 cm⁻²，显著优于当前设施。
• SKA2 将实现对银河系大小星系在 z ≈ 1 以内的光学质量 H i 成像，灵敏度足以探测到 z ≈ 2 处 H i 质量低至 ~10^9 M⊙ 的源。
• SKA1 的巡天策略针对 100 deg² 区域优化，可覆盖红移 0.1 < z < 0.5 的范围，灵敏度与分辨率与前导仪器巡天相当，从而支持对高红移 H i 系统的后续观测。
• SKA2 将提供构建从现今到 z ≈ 2（宇宙恒星形成率密度达到峰值）H i 演化完整图景所需的数据。
• SKA1 与 SKA2 的联合巡天将使数千个富含 H i 的星系在宇宙时空中被探测到，从而支持对气体含量、运动学与环境依赖性的统计研究。
• 灵敏度估算表明，SKA1 在 z ≈ 0.5 处以 10 小时积分可探测到约 ~8×10^9 M⊙ 的 H i 质量，与经典 M_HI* 值一致，并可通过提升分辨率将此能力扩展至更高红移。