[论文解读] MeerKLASS: MeerKAT Large Area Synoptic Survey

Mário G. Santos, M. E. Cluver+36 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2017

Spectroscopy and Chemometric Analyses被引用 66

一句话总结

MeerKLASS 提出一项覆盖广域的 MeerKAT 调查（约 4000 deg2，约 4000 小时）以开创 HI 强度映射和连续体星系研究，使得早期 BAO/RSD 检测、多探针 PNG 约束以及在 SKA1-MID 之前实现多波长洞察。

ABSTRACT

We discuss the ground-breaking science that will be possible with a wide area survey, using the MeerKAT telescope, known as MeerKLASS (MeerKAT Large Area Synoptic Survey). The current specifications of MeerKAT make it a great fit for science applications that require large survey speeds but not necessarily high angular resolutions. In particular, for cosmology, a large survey over $\sim 4,000 \, { m deg}^2$ for $\sim 4,000$ hours will potentially provide the first ever measurements of the baryon acoustic oscillations using the 21cm intensity mapping technique, with enough accuracy to impose constraints on the nature of dark energy. The combination with multi-wavelength data will give unique additional information, such as exquisite constraints on primordial non-Gaussianity using the multi-tracer technique, as well as a better handle on foregrounds and systematics. Such a wide survey with MeerKAT is also a great match for HI galaxy studies, providing unrivalled statistics in the pre-SKA era for galaxies resolved in the HI emission line beyond local structures at z > 0.01. It will also produce a large continuum galaxy sample down to a depth of about 5\,$μ$Jy in L-band, which is quite unique over such large areas and will allow studies of the large-scale structure of the Universe out to high redshifts, complementing the galaxy HI survey to form a transformational multi-wavelength approach to study galaxy dynamics and evolution. Finally, the same survey will supply unique information for a range of other science applications, including a large statistical investigation of galaxy clusters as well as produce a rotation measure map across a huge swathe of the sky. The MeerKLASS survey will be a crucial step on the road to using SKA1-MID for cosmological applications and other commensal surveys, as described in the top priority SKA key science projects (abridged).

研究动机与目标

• 推动一项覆盖面广的 MeerKAT 调查，以开启前沿宇宙学与星系演化研究。
• 预测检测 HI 21cm 强度映射信号、BAO 和 RSD 的能力。
• 评估多探针方法在原初非高斯性（f_NL）及与 CMB 的相关性方面的约束。
• 展示连续体调查通过高红移射电星系来约束暗能量的潜力。
• 通过一个大规模、具备多波长能力的调查，探索 HI 星系演化、星系团和活动星系核（AGN）的人口统计特征。

提出的方法

• 采用 MeerKAT 的单口径自相关和干涉观测数据，进行约 4000 小时、约 4000 deg2 的调查。
• 使用给定的 M_HI(M) 的晕模型来建模 HI 强度映射信号，以推导 HI 亮温、偏压和 Omega_HI 的演化。
• 预测包含红移空间畸变的 HI 功率谱 P^HI(z,k,μ)，并使用 Fisher 分析估计对 Omega_HI b_HI 的约束。
• 评估与光学 surveys（DES、BOSS DR12-like）之相关性机会，以降低系统误差并改善参数约束。
• 在通量阈值下预测连续体射电星体数量与红移分布，以通过角功率谱和多分箱层析来评估暗能量约束。
• 讨论将 MeerKAT 与 DES 结合的多探针技术，以在乐观的重叠情景下改进原初非高斯性（f_NL）的约束，超越 Planck。
• 探索与 CMB 染色透镜和其他高阶统计量的相关性，以获得额外的宇宙学信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过 MeerKLASS 的 HI 强度映射能否检测到 BAO 和 RSD 信号，以及在 L-band 与 UHF-band 上的精度如何？
• RQ2 在相对于 Planck 的情况下，MeerKLASS 与 DES 的多探针方法在原初非高斯性（f_NL）方面能达到多好的约束？
• RQ3 在不同红移分箱中， MeerKLASS 能对 Omega_HI 与 HI 偏压 b_HI 取得何种约束？
• RQ4 通过角功率谱和红移分箱，连续体调查能达到哪些暗能量约束（w0, wa）？
• RQ5 通过覆盖广域、多波长的 MeerKLASS 数据还能获得关于星系演化、AGN 与星系团的哪些额外洞察？

主要发现

z	delta(Omega_HI b_HI)/(Omega_HI b_HI) - L 波段	delta(Omega_HI b_HI)/(Omega_HI b_HI) - UHF 波段
0.1	0.010	-
0.2	0.005	-
0.3	0.005	-
0.4	0.007	-
0.5	0.009	-
0.6	-	0.011
0.7	-	0.013
0.8	-	0.015
0.9	-	0.018
1.0	-	0.022
1.1	-	0.026
1.2	-	0.030
1.3	-	0.036
1.4	-	0.042

• 在整个红shift 区间内给出 Omega_HI b_HI 的分数量级不确定度的预测，覆盖 L-band 与 UHF-band，例如在 z=0.1 时 (0.010 for L-band) 和 z=1.4 时 (0.042 for UHF-band)。
• 与光学 surveys（DES、BOSS-like）之相关性可以在 HI 相关量上获得具有竞争力的约束，并提高对系统误差的鲁棒性。
• MeerKLASS 设想通过 HI 强度映射首次探测 BAO 和 RSD，在 L-band 的 BAO 观测和增长率 fσ8 上有显著的信噪比提升。
• 在乐观的重叠情景下，使用 MeerKAT 与 DES 的多探针方法可以给出比 Planck 更好的 f_NL 约束。
• 连续观测可以探测约 10 百万（~10 million）个无线星系，通过带有红移分箱、覆盖至 z>2.5 的角功率谱实现对暗能量的精确约束。
• 该调查还将促进对解析星系中的 HI、星系团、高红移 AGN 以及 RM 映射的研究，形成一项转变性的多波长数据集。