[论文解读] Imaging HII Regions from Galaxies and Quasars During Reionisation with SKA

J. Stuart B. Wyithe, Paul M. Geil+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 3

一句话总结

本文研究了利用SKA1-LOW望远镜在宇宙再电离期间成像星系和类星体的电离氢区（HII区域）的可行性。通过半数值模拟，表明只要视场覆盖数个度，SKA1-LOW的角分辨率和灵敏度足以解析受反馈影响的星系产生的HII区域，并探测早期再电离阶段更小的区域。

ABSTRACT

The ionisation structure of the Intergalactic Medium (IGM) during reionisation is sensitive to the unknown galaxy formation physics that prevailed at that time. This structure introduces non-Gaussian statistics into the redshifted 21 cm fluctuation amplitudes that can only be studied through tomographic imaging, which will clearly discriminate between different galaxy formation scenarios. Imaging the ionisation structure and cosmological HII regions during reionisation is therefore a key goal for the SKA. For example, the SKA1-LOW baseline design with a 1 km diameter core will resolve HII regions expected from galaxy formation models which include strong feedback on low-mass galaxy formation. Imaging the smaller HII regions that result from galaxy formation in the absence of SNe feedback will also be possible for SKA1-LOW in the later stages of reionisation, but may require the greater sensitivity of SKA early in the reionisation era. In addition to having baselines long enough to resolve the HII regions, the field of view for SKA1-LOW reionisation experiments should be at least several degrees in order to image the largest HI structures towards the end of reionisation. The baseline design with 35 meter diameter stations has a field of view within a single primary pointing which is sufficient for this purpose.

研究动机与目标

• 评估SKA1-LOW是否能够成像宇宙再电离期间由星系和类星体形成的HII区域。
• 确定区分再电离期间不同星系形成模型所需的观测条件——角分辨率、灵敏度和视场。
• 评估断层成像在探测21厘米涨落中非高斯统计特性的作用，这些特性对电离结构和反馈物理敏感。
• 研究在不同反馈情景下（包括强超新星反馈及其缺失）HII区域的可探测性。
• 确定SKA1-LOW在再电离末期成像大尺度中性氢（HI）结构所需的最小视场。

提出的方法

• 基于源星表和解析HII区域模型，利用半数值模拟模拟再电离期间宇宙大尺度介质（IGM）的电离结构。
• 应用基于HII区域球对称径向密度分布的滤波技术，以估算电离场，确保光子守恒和自洽重叠。
• 评估不同反馈强度下星系形成模型中，探测不同尺寸HII区域所需的角分辨率和灵敏度。
• 评估在再电离末期成像大尺度HI结构（最大约~100 Mpc）所需的视场，考虑光锥效应和宇宙方差。
• 比较在存在和不存在超新星反馈情况下HII区域的可探测性，将角分辨率和灵敏度与可观测特征关联。
• 利用模拟的21厘米亮度温度涨落建模可观测特征，重点在于断层成像而非功率谱统计。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA1-LOW能否解析包含对低质量星系强反馈的星系形成模型所预期的HII区域？
• RQ2 在早期再电离阶段，无超新星反馈的星系形成的更小HII区域，需要多高的灵敏度和角分辨率才能成像？
• RQ3 SKA1-LOW在再电离末期成像大尺度HI结构（最大约~100 Mpc）所需的最小视场是多少？
• RQ4 光锥效应和宇宙方差如何限制再电离重叠阶段HII区域观测尺寸？
• RQ5 HII区域形态的成像在多大程度上能区分‘由内而外’与‘由外而内’的再电离情景？

主要发现

• SKA1-LOW若配备1 km直径核心，可解析包含对低质量星系强反馈的星系形成模型所预期的HII区域。
• 在无超新星反馈的星系中形成的小型HII区域，可能需要SKA更高的灵敏度，尤其是在再电离的早期至中期阶段。
• SKA1-LOW再电离实验的视场至少应为数个度，才能成像最大尺度的HI结构，其尺寸可达约~100 Mpc。
• SKA1-LOW基线设计中，35 m直径天线的视场在单次指向内，勉强足以成像大尺度结构。
• 由IGM电离结构驱动的21厘米涨落幅度中的非高斯统计特性，仅能通过断层成像研究，而断层成像可区分星系形成情景。
• 由大质量星系周围源聚类引起的HII区域平滑边缘，需要高角分辨率才能解析，这意味着对电离前缘的详细成像将取决于SKA的灵敏度和角分辨率。