[论文解读] Observations of the Intergalactic Medium and the Cosmic Web in the SKA era

Attila Popping, M. Meyer+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）将通过实现深度、高分辨率的中性氢（HI）21厘米发射巡天，彻底革新对星系际介质（IGM）和宇宙网的观测，探测柱密度低至$10^{16}$ cm$^{-2}$的中性氢，其灵敏度比当前的干涉仪深一个数量级，并首次实现对弥散气体丝状结构的分辨。SKA第一阶段已具备在100小时积分后，以15"分辨率探测$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$的灵敏度。

ABSTRACT

The interaction of galaxies with their environment, the Intergalactic Medium (IGM), is an important aspect of galaxy formation. One of the most fundamental, but unanswered questions in the evolution of galaxies is how gas circulates in and around galaxies and how it enters the galaxies to support star formation. We have several lines of evidence that the observed evolution of star formation requires gas accretion from the IGM at all times and on all cosmic scales. This gas remains largely unaccounted for and the outstanding questions are where this gas resides and what the physical mechanisms of accretion are. The gas is expected to be embedded in an extended cosmic web made of sheets and filaments. Such large-scale filaments of gas are expected by cosmological numerical simulations, which have made significant progress in recent years. Such simulations do not only model the large scale structure of the cosmic web, but also investigate the neutral gas component. To truly make significant progress in understanding the distribution of neutral hydrogen in the IGM, column densities of NHI=10^18 cm-2 and below have to be probed over large areas on the sky at sub-arcminute resolution. These are the densities of the faintest structures known today around nearby galaxies, though mostly found with single dish telescopes which do not have the resolution to resolve these structures and investigate any kinematics. Existing interferometers lack the collecting power or short baselines to achieve brightness sensitivities typically below NHI=10^19 cm-2. Reaching lower column densities with current facilities is feasible, however requires prohibitively long observing times. The SKA will for the first time break these barriers, enabling interferometric observations an order of magnitude deeper than current interferometers and with an order of magnitude better linear resolution than single-dish telescopes.

研究动机与目标

• 解决关于气体如何从星系际介质（IGM）吸积进入星系以驱动恒星形成这一基本理解上的空白。
• 实现对宇宙网中预测存在但尚未被观测证实的微弱、弥散中性氢丝状结构的探测。
• 证明SKA第一阶段将实现比当前干涉仪深一个数量级的亮度灵敏度，并在亚角分量辨率下实现对IGM的分辨。
• 预测SKA1-MID和SKA1-SUR在大天区范围内成像低柱密度HI气体的科学潜力。
• 表明SKA1对单个星系的定向观测可探测到$N_{\text{HI}} \sim 10^{17}$ cm$^{-2}$的吸积流，揭示其亚结构和丝状吸积特征。

提出的方法

• 使用SKA基线设计（Dewdney et al. 2013）的性能模拟，预测SKA1-MID和SKA1-SUR的灵敏度与分辨率。
• 该方法依赖于在1.42 GHz频段对中性氢（HI）21厘米发射线的干涉测量观测，可探测柱密度范围为$10^{15}$至$10^{18}$ cm$^{-2}$的气体。
• 通过积分时间缩放推导灵敏度预测，SKA1-MID为100小时，SKA1-SUR为10小时，覆盖指定天区和频段范围。
• 分析假设SKA基线中望远镜呈对数分布，以确保在不同分辨率尺度上噪声相对恒定。
• 该方法利用现有HI项目，通过在较低分辨率下重新处理数据以提升灵敏度，从而在无需额外观测的情况下实现IGM研究。
• 模拟预测，SKA1在100小时积分后，于0.46 deg$^2$区域、1.42 GHz频段、15"分辨率下，可实现$5\sigma$灵敏度$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$（10 km/s带宽）。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA1能否探测到柱密度低于$10^{19}$ cm$^{-2}$的IGM中性氢，即当前干涉仪受限的区域？
• RQ2 SKA1能否在亚角分量辨率下分辨宇宙网中弥散HI丝状结构的动力学与形态学特征？
• RQ3 SKA1-MID与SKA1-SUR对单个星系的定向观测中，可探测到的最小HI柱密度是多少？
• RQ4 SKA1在IGM研究中的灵敏度与分辨率相较于现有单镜面望远镜和干涉仪设施如何？
• RQ5 SKA1能否执行无偏见的大面积IGM巡天，以探测弥散气体并追踪宇宙网结构？

主要发现

• SKA1-MID在100小时积分后，于0.46 deg$^2$区域、1.42 GHz频段、15"分辨率下，可实现$5\sigma$亮度灵敏度$N_{\text{HI}} \sim 2 \times 10^{18}$ cm$^{-2}$（10 km/s带宽）。
• SKA1-SUR在10小时积分后，于18 deg$^2$区域、全频段范围内，可实现$N_{\text{HI}} \sim 10^{19}$ cm$^{-2}$（10 km/s带宽）、15"分辨率。
• SKA1将实现比当前干涉仪深一个数量级的亮度灵敏度，以及比单镜面望远镜好一个数量级的分辨率。
• 当SKA1建设完成50%时，即可实现超过50%的低分辨率IGM成像相关科学性能，尤其得益于短基线和高集光面积。
• SKA完整阶段（第二阶段）将使灵敏度再提升一个数量级，实现对全天空$N_{\text{HI}} \sim 10^{17}$ cm$^{-2}$（10"分辨率）的探测，以及在定向观测中实现对$N_{\text{HI}} \sim 10^{16}$ cm$^{-2}$（1 arcmin分辨率）气体的探测。
• SKA1将首次实现对亚角分量辨率下弥散IGM气体的分辨成像，并探测到宇宙学模拟所预测的丝状结构中的气体，为冷模式吸积提供直接证据。