[论文解读] Hydrogen 21-cm Intensity Mapping at redshift 0.8

Tzu‐Ching Chang, Ue‐Li Pen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 11

一句话总结

本研究利用绿岸望远镜首次在红移 z ≈ 0.8 处探测到 21-cm 强度映射，通过叠加 DEEP2 星系巡天中约 10,000 个星系的射电辐射，实现了在 21-cm 明亮度温度涨落与光学星系密度之间交叉相关性的 4σ 显著性，得出 Ω_HI = (5.5 ± 1.5) × 10⁻⁴ / (rb) 的下限估计，通过强度映射约束高红移中性氢密度，作为宇宙暗能量和大尺度结构的探针。

ABSTRACT

Observations of 21-cm radio emission by neutral hydrogen at redshifts z ~ 0.5 to ~ 2.5 are expected to provide a sensitive probe of cosmic dark energy. This is particularly true around the onset of acceleration at z ~ 1, where traditional optical cosmology becomes very difficult because of the infrared opacity of the atmosphere. Hitherto, 21-cm emission has been detected only to z=0.24. More distant galaxies generally are too faint for individual detections but it is possible to measure the aggregate emission from many unresolved galaxies in the 'cosmic web'. Here we report a three dimensional 21-cm intensity field at z=0.53 to 1.12. We then co-add HI emission from the volumes surrounding about ten thousand galaxies (from the DEEP2 optical galaxy redshift survey. We detect the aggregate 21-cm glow at a significance of ~ 4 sigma.

研究动机与目标

• 测试 21-cm 强度映射作为 z ≈ 1 处宇宙网三维探针的可行性，该红移下光学巡天受大气消光限制。
• 利用未解析星系的叠加发射，测量高红移处的总 21-cm 明亮度温度和中性氢密度。
• 证明强度映射可经济地绘制大尺度结构，覆盖体积比以往巡天多 50 倍。
• 通过射电 21-cm 数据与光学星系位置之间的交叉相关，约束 z ≈ 0.8 处的中性氢密度 Ω_HI。
• 评估随机性（r）和偏置（b）对强度映射信号解释的影响，承认这些是当前约束中的未知参数。

提出的方法

• 使用绿岸望远镜观测红移 0.53 < z < 1.12 范围内的 21-cm 辐射，对应 1400–2600 h⁻¹ Mpc 的共动距离。
• 通过交叉相关两个线性极化馈电信号，基于偏振的 RFI 消除方法，消除 >2% 的相关性以去除地面干扰。
• 对天空位置与频率的数据矩阵应用奇异值分解（SVD），以建模并减去宽带天文连续谱发射 T(x,ν) = f(x)g(ν)。
• 对经清理的 21-cm 明亮度温度场与 DEEP2 巡天的光学星系密度场进行交叉相关，以探测团聚信号。
• 使用高斯成对速度弥散 σ₁₂ = 395 km/s 建模径向畸变，以考虑相关函数中的特殊速度影响。
• 将观测到的交叉相关幅度拟合至理论关系式 ζ = 284 μK × b r × Ω_HI / 10⁻³ × (h/0.73) × [(Ωₘ + (1+z)⁻³Ω_Λ)/0.37]⁻⁰·⁵ × [(1+z)/1.8]⁰·⁵，以推断 Ω_HI。

实验结果

研究问题

• RQ1 21-cm 强度映射是否能在不解析单个星系的情况下探测到 z ≈ 0.8 处的大尺度结构？
• RQ2 z ≈ 0.8 处 21-cm 明亮度温度涨落的幅度是多少，其与潜在中性氢密度有何关系？
• RQ3 所探测到的 21-cm 信号与光学明亮星系分布的相关程度如何，这对气体团聚性有何启示？
• RQ4 偏置（b）和随机性（r）的不确定性如何影响对测量到的 21-cm 信号及推断出的 Ω_HI 的解释？
• RQ5 在 z ≈ 1 处，强度映射是否可作为测量中性氢演化的一种可行替代方案，以替代类星体吸收线巡天？

主要发现

• 本研究报告在平均红移 z ≈ 0.8 处，21-cm 明亮度温度涨落与光学星系密度之间存在 4σ 的交叉相关性检测。
• 零时延交叉相关幅度测量值为 157 ± 42 μK，对应于 Ω_HI = (5.5 ± 1.5) × 10⁻⁴ / (rb) 的下限估计。
• 有效分辨率单元为 (9 h⁻¹ Mpc)³，每波束平均有五个 DEEP2 星系，限制了自发射与总发射之间的分离。
• 所探测信号与中性气体追踪光学明亮星系附近大尺度结构的模型一致，但可能遗漏未与 DEEP2 星系团聚的显著部分中性气体。
• DEEP2 星系自身对总 21-cm 辐射方差的贡献估计约为 20%，表明大部分信号来自周围未解析的星系。
• 该方法证明，尽管面临 RFI 和前景源的挑战，强度映射仍可对 z ≈ 1 处的 Ω_HI 实现宇宙学相关的约束，并为未来通过自相关与交叉相关测量确定 b 和 r 提供路径。