[论文解读] SKA Key science project: Radio observations of cosmic reionization and first light

C. L. Carilli|ArXiv.org|Feb 12, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出利用平方公里阵列（SKA）观测中性氢的21厘米发射线，作为宇宙再电离和第一代星系形成过程的直接探测手段。通过低频射电观测，SKA能够绘制早期宇宙的大尺度结构图，即使仅10%的SKA演示装置也具备变革性的灵敏度——特别是当观测频段扩展至45 GHz时，热辐射的灵敏度可提升四倍，从而实现对高红移恒星形成与电离过程的突破性研究。

ABSTRACT

I update the SKA key science program (KSP) on first light and cosmic reionization. The KSP has two themes: (i) Using the 21cm line of neutral hydrogen as the most direct probe into the evolution of the neutral intergalactic medium during cosmic reionization. Such HI 21cm studies are potentially the most important new window on cosmology since the discovery of the CMB. (ii) Observing the gas, dust, star formation, and dynamics, of the first galaxies and AGN. Observations at cm and mm wavelengths, provide an unobscured view of galaxy formation within 1 Gyr of the Big Bang, and are an ideal complement to the study of stars, ionized gas, and AGN done using near-IR telescopes. I summarize HI 21cm signals, challenges, and telescopes under construction. I also discuss the prospects for studying the pre-galactic medium, prior to first light, using a low frequency telescope on the Moon. I then review the current status of mm and cm observations of the most known distant galaxies (z > 6). I make the simple argument that even a 10% SKA-high demonstrator will have a profound impact on the study of the first galaxies. In particular, extending the SKA to the 'natural' atmospheric limit (set by the O_2 line) of 45 GHz, increases the effective sensitivity to thermal emission by another factor four.

研究动机与目标

• 将中性氢的21厘米线确立为宇宙再电离及电离介质演化最直接的探测手段。
• 利用厘米与毫米波段观测，研究红移z ≥ 6时第一代星系与活动星系核的气体、尘埃、恒星形成与动力学特性。
• 证明10% SKA演示装置，特别是扩展至45 GHz时，可为高红移星系热辐射探测提供变革性灵敏度。
• 探索月球上低频射电望远镜探测宇宙黑暗时期前星系中性介质的潜力。
• 比较未来望远镜（SKA、ALMA、EVLA、JWST）在探测原初星系分子线与连续谱发射方面的性能。

提出的方法

• 利用大尺度结构模拟，建模宇宙再电离期间中性氢21厘米亮度温度涨落的预期特征。
• 分析高红移类星体光谱中的Gunn-Peterson效应以及CMB大尺度极化观测约束，推断电离历史。
• 基于亮度温度与通量密度预测，评估SKA第一阶段及扩展SKA（最高至45 GHz）对高红移星系热辐射的灵敏度。
• 比较EVLA、SKA第一阶段与ALMA对红移z = 5、光度接近Arp 220的星系的CO线发射与连续谱发射的灵敏度。
• 评估大气O2吸收线作为厘米波望远镜自然高频截止的影响，以及将观测扩展至45 GHz所带来的灵敏度增益。
• 利用模拟发射谱，比较不同望远镜与红移下CO(1-0)、CO(2-1)、[CII] 158 μm及自由-自由/热尘埃连续谱的探测阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性氢的21厘米发射如何提供宇宙再电离及电离介质演化过程的直接、空间分辨探测？
• RQ2 将SKA工作带宽扩展至45 GHz所带来的灵敏度优势是什么？这一扩展如何提升对高红移星系热辐射的探测能力？
• RQ3 厘米与毫米波观测如何与近红外及光学巡天互补，用于研究红移z ≥ 6的第一代星系与活动星系核？
• RQ4 月球上的低频射电望远镜能否探测到宇宙黑暗时期前星系中性介质的21厘米信号？
• RQ5 SKA、ALMA、EVLA与JWST在探测原初星系分子线与连续谱发射方面的相对探测能力如何？

主要发现

• 10% SKA演示装置，特别是扩展至45 GHz时，其对热辐射的灵敏度相比22 GHz设计可提升四倍，显著增强对高红移星系的探测能力。
• SKA第一阶段设计凭借其巨大的集光面积，可探测到红移超过z = 10的正常恒星形成星系的CO(1-0)与CO(2-1)发射，从而探测再电离时期。
• ALMA有望探测到高红移星系中的高阶CO跃迁与精细结构线（如[CII] 158 μm），而短厘米波段望远镜（如SKA）则最适合探测分子气体与自由-自由发射。
• EVLA与SKA第一阶段在分子线星系的宽场与宽频带巡天方面优于ALMA，可实现对高红移宇宙的高效盲巡天。
• 红移z = 5、FIR光度约10¹² L⊙的星系，其连续谱发射在SKA第一阶段45 GHz频段的50–200 GHz本征频带内可被探测到，自由-自由发射可提供不受尘埃影响的恒星形成率测量。
• 厘米波望远镜的自然高频截止约为45 GHz，由大气O2吸收决定；将观测扩展至此限可使基线要求降低两倍，对热源的灵敏度提升四倍。