[论文解读] Measuring Cosmic Density of Neutral Hydrogen via Stacking the DINGO-VLA Data

Qingxiang Chen, M. Meyer+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 97被引用 17

一句话总结

本研究利用一种新颖的三维立方体堆叠方法，对来自3,622个星系的DINGO-VLA 21 cm发射数据进行处理，测量了z ≈ 0.05时中性氢的宇宙密度（ΩH I）。通过堆叠空间分辨的立方体单元并使用堆叠点扩散函数进行去卷积，该方法成功恢复出30σ的H i质量检测结果，其值为(1.674 ± 0.183) × 10⁹ M⊙，从而得出ΩH I = (0.377 ± 0.042) × 10⁻³，与低红移处H i含量无显著演化的结论一致。

ABSTRACT

We use the 21 cm emission line data from the DINGO-VLA project to study the atomic hydrogen gas H\,{ extsc i} of the Universe at redshifts $z<0.1$. Results are obtained using a stacking analysis, combining the H\,{ extsc i} signals from 3622 galaxies extracted from 267 VLA pointings in the G09 field of the Galaxy and Mass Assembly Survey (GAMA). Rather than using a traditional one-dimensional spectral stacking method, a three-dimensional cubelet stacking method is used to enable deconvolution and the accurate recovery of average galaxy fluxes from this high-resolution interferometric dataset. By probing down to galactic scales, this experiment also overcomes confusion corrections that have been necessary to include in previous single dish studies. After stacking and deconvolution, we obtain a $30\sigma$ H\,{ extsc i} mass measurement from the stacked spectrum, indicating an average H\,{ extsc i} mass of $M_{ m H\,{ extsc i}}=(1.674\pm 0.183) imes 10^{9}~{\Msun}$. The corresponding cosmic density of neutral atomic hydrogen is $\Omega_{ m H\,{ extsc i}}=(0.377\pm 0.042) imes 10^{-3}$ at redshift of $z=0.051$. These values are in good agreement with earlier results, implying there is no significant evolution of $\Omega_{ m H\,{ extsc i}}$ at lower redshifts.

研究动机与目标

• 使用高分辨率干涉21 cm数据测量低红移（z < 0.1）的中性氢宇宙密度（ΩH I）。
• 克服传统干涉数据谱堆叠方法的局限性，如非高斯波束和因uv覆盖不足导致的旁 lob。
• 通过在星系尺度上解析单个星系，消除单镜面观测中所需的混淆修正。
• 通过测量z ≈ 0.051处的ΩH I并与更高红移结果对比，检验H i含量的宇宙演化。
• 验证新型立方体堆叠方法在下一代射电望远镜H i巡天中的适用性。

提出的方法

• 应用三维立方体堆叠技术：从VLA数据中提取以已知星系位置为中心的微小空间-谱线立方体单元。
• 使用堆叠点扩散函数（PSF）对堆叠的立方体单元进行去卷积，以准确恢复平均星系流量。
• 从去卷积后的堆叠立方体中进行谱线提取，获得信噪比高的光谱。
• 在GAMA G09区域的267个VLA指向中采用加权堆叠方法，覆盖3,622个星系。
• 利用DINGO-VLA数据集中已知的PSF和噪声特性，校正波束和灵敏度效应。
• 应用去卷积算法从部分解析的源中恢复流量，避免了混淆修正的需要。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用高分辨率干涉数据，在z ≈ 0.051时，宇宙中性氢密度（ΩH I）是多少？
• RQ2 与更高红移（如z > 2）相比，星系的H i含量在z ≈ 0.05时是否表现出显著演化？
• RQ3 立方体堆叠方法能否成功恢复因uv覆盖不足和非高斯波束导致的干涉数据中的平均H i流量？
• RQ4 该方法得出的H i质量函数和ΩH I与以往单镜面观测及DLA基测量结果相比如何？
• RQ5 该方法在剩余DINGO-VLA数据基础上，可多大程度上扩展用于探测z ∼ 0.3附近的H i演化？

主要发现

• 堆叠光谱实现了30σ的H i发射检测，对应每星系平均H i质量为(1.674 ± 0.183) × 10⁹ M⊙。
• 在z = 0.051时，推导出的宇宙中性氢密度为ΩH I = (0.377 ± 0.042) × 10⁻³，与先前测量结果一致。
• 结果表明在低红移范围内ΩH I无显著演化，意味着自z ≈ 0.05以来星系的H i含量保持相对稳定。
• 立方体堆叠方法成功缓解了短时长VLA观测带来的波束和旁 lob 效应，实现了准确的流量恢复。
• 该方法通过在星系尺度上解析源，避免了单镜面观测中所需的混淆修正。
• 该测量与Davé等人（2017）的流体动力学模型高度一致，该模型预测ΩH I ∝ (1 + z)⁰.⁷⁴，支持其在低红移区域的有效性。