[论文解读] HI as a Probe of the Large Scale Structure in the Post-Reionization Universe: Visibility Correlations and Prospects for Detection

Nishikanta Khandai, Kanan K. Datta+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文利用射电望远镜的可见度相关性，研究了在再电离后宇宙中中性氢（HI）的统计检测与直接检测。通过模拟HI地图，表明MWA可在所有可访问的再电离后红移下检测到大角度尺度的HI可见度相关性，而GMRT可在z = 1.3实现统计检测，并在不到1,000小时的积分时间内直接检测到罕见的HI峰值。

ABSTRACT

Simulated maps of the HI distribution in the post-reionization era are used to study the prospects for detection with existing and upcoming radio telescopes. We consider detection in the redshifted radiation from the hyperfine transition with a rest frame frequency of 1420 MHz. Possibility of a statistical detection using visibility correlations is discussed. We show that the MWA (Murchison Widefield Array) and the GMRT (Giant Meterwave Radio Telescope) can potentially detect signal from the HI distribution at high redshifts. MWA can detect visibility correlations at large angular scales at all redshifts accessible to it in the post-reionization era. The GMRT can detect visibility correlations at lower redshifts, specifically there is a strong case for a survey at z = 1.3. We also discuss prospects for direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT. We show that direct detection should be possible with integration time that is comparable to, or even less than, the time required for a statistical detection. Specifically, it is possible to make a statistical detection of the HI distribution by measuring the visibility correlation, and, direct detection of rare peaks in the HI distribution using the GMRT in less than 1000 hours of observations.

研究动机与目标

• 评估利用可见度相关性技术在再电离后宇宙中探测中性氢（HI）的可行性。
• 评估现有及未来的射电望远镜（特别是MWA和GMRT）对高红移HI信号的灵敏度。
• 确定在比统计检测更短的积分时间内，是否可实现对罕见、高密度HI峰值的直接检测。
• 确定利用当前仪器最大化检测前景的最佳红移和观测策略。

提出的方法

• 使用宇宙学模型模拟再电离后宇宙中中性氢（HI）的分布。
• 计算静止频率为1420 MHz的HI红移21 cm信号的可见度相关函数。
• 建模MWA和GMRT在不同红移下对这些可见度相关性的响应。
• 估算通过可见度相关性测量实现统计检测所需的积分时间。
• 评估利用相同仪器直接检测罕见、高对比度HI峰值的可行性。
• 比较通过可见度相关性实现统计检测与直接检测孤立峰值的积分时间需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 MWA的可见度相关性测量能否在所有可访问的再电离后红移下检测到HI？
• RQ2 GMRT在哪些红移下可通过可见度相关性实现HI的统计检测？
• RQ3 GMRT是否能在比统计检测所需更短的积分时间内实现对罕见、高对比度HI峰值的直接检测？
• RQ4 使用GMRT和MWA进行HI的统计检测与直接检测，分别需要多长的积分时间？

主要发现

• MWA可在再电离后时代所有可访问的红移下，检测到大角度尺度的HI可见度相关性。
• GMRT在z = 1.3具有实现HI统计检测的强潜力，且在更低红移下可见度相关性测量亦可行。
• GMRT可在不到1,000小时的积分时间内直接检测到HI分布中罕见的高对比度峰值。
• 直接检测罕见HI峰值所需的积分时间与通过可见度相关性实现统计检测所需时间相当，甚至更短。
• 可见度相关性技术为当前射电望远镜在再电离后宇宙中探测HI提供了可行的统计检测路径。
• GMRT的灵敏度使其既能实现HI的统计检测，也能实现直接检测，且后者可在实际观测时间范围内实现。