[论文解读] HI Cosmology in the Local Universe with ALFALFA

Martha P. Haynes|ArXiv.org|Aug 19, 2007

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 3

一句话总结

本论文展示了ALFALFA巡天的早期成果，该巡天是一项利用阿雷西博望远镜进行的深度、大范围盲查HI巡天，旨在绘制本地HI宇宙的图景。研究结果表明，光学暗淡但富含HI的星系在宇宙学上并不显著，且ALFALFA以高保真度探测到超过4,500个河外HI源，从而能够对z=0处的HI质量函数和相关函数进行稳健测量，为平方公里阵列（SKA）时代的宇宙学研究奠定基础。

ABSTRACT

The Arecibo Legacy Fast ALFA (ALFALFA) survey is an on-going second generation blind extragalactic HI survey exploiting Arecibo's superior sensitivity, angular resolution and digital technology to conduct a census of the local HI universe over a cosmologically significant volume. As of mid-2007, ~4500 good quality extragalactic HI line sources have been extracted in ~15% of the final survey area. ALFALFA is detecting HI masses as low as 10**6 Msun and as high as 10**10.8 Msun with positional accuracies typically better than 20 arcsec, allowing immediate identification of the most probable optical counterparts. Only 3% of all extragalactic HI sources and fewer than 1% of detections with M(HI) > 10**9.5 Msun cannot be identified with a stellar component. First ALFALFA results already suggest, in agreement with previous studies, that there does not appear to be a cosmologically significant population of optically dark but HI rich galaxies. ALFALFA promises a wealthy dataset for the exploration of many issues in near-field cosmology and galaxy evolution studies, setting the stage for their extension to higher redshifts with the Square Kilometer Array (SKA).

研究动机与目标

• 通过一次无偏见的、大范围的巡天，对本地HI宇宙进行全面普查，以克服光学星表中的系统偏差。
• 通过探测HI质量函数的低质量端，确定低质量星系和光学暗淡星系的性质与分布。
• 在z=0处测量HI质量函数（HIMF）、HI-HI与HI-光学相关函数以及偏置参数，以获得宇宙学约束。
• 提供一个稳健的数据集，用于近场宇宙学与星系演化研究，作为SKA巡天的前导工作。
• 检验假设：空洞中可能存在一个隐藏的、富含气体但光学暗淡的矮星系群体。

提出的方法

• 使用阿雷西博305米望远镜和ALFA七波束接收器，在高银纬天区约7,000平方度的天空范围内，进行两次过点、固定方位角的谱线巡天。
• 采用最小干扰观测技术与自动傅里叶域信号提取算法，以最大限度提升数据质量和源检测能力。
• 利用高灵敏度（1.7 mJy beam⁻¹，11 km s⁻¹分辨率）与高角分辨率（3.5′ beam），实现对10⁶至10¹⁰.⁸ M☉之间HI质量的探测，位置精度小于20″。
• 通过位置重合与多波段数据，对HI源与光学对应体进行交叉识别，以评估完整度与污染程度。
• 应用统计方法，从探测到的源星表中推导出HI质量函数与相关函数，并对选择效应进行修正。
• 将ALFALFA结果与星体质量与HI质量比（10:1）的预测进行比较，以检验空洞中是否存在缺失的矮星系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本地宇宙中，是否存在一个在宇宙学上显著的光学暗淡、富含HI的星系群体？
• RQ2 HI质量函数（HIMF）在低质量和高质量端的形状与归一化值如何？与以往巡天相比有何差异？
• RQ3 通过HI探测到的星系的团聚特性与光学选源星系相比如何？这对HI偏置意味着什么？
• RQ4 空洞中是否隐藏着一个富含气体、光学暗淡的矮星系群体，从而可调和矮星系丰度的矛盾？
• RQ5 本地宇宙中最 massive 的HI星系的特性如何为星系演化与恒星形成模型提供启示？

主要发现

• 截至2007年年中，ALFALFA已在最终巡天面积的约15%范围内，探测到约4,500个高质量河外HI源，其中97%的源及<1%的M_HI > 10⁹.⁵ M☉的探测源具有光学对应体。
• 仅有3%的河外HI源及少于1%的高质质量探测源（M_HI > 10⁹.⁵ M☉）缺乏光学对应体，表明不存在显著的光学暗淡、富含HI的星系群体。
• ALFALFA探测到的高质量HI星系（M_HI > 10¹⁰.⁴ M☉）数量超过此前所有盲巡天探测总数的两倍，且形态与颜色多样。
• 该巡天在单个空洞中探测到38个HI源，远低于10:1星体-HI质量比预测的38个，从而排除了空洞中存在隐藏的富含气体矮星系群体的可能性。
• 巡天实现了高灵敏度（1.7 mJy beam⁻¹）与高位置精度（<20″），使得光学对应体识别可靠，统计分析稳健。
• ALFALFA预计在完成时将提供超过25,000个河外HI探测结果，从而能够对z=0处的HIMF、相关函数与偏置参数进行稳健测量。