[论文解读] The 21 cm Forest: Radio Absorption Spectra as a Probe of the Intergalactic Medium Before Reionization

Steven R. Furlanetto, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2002

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 4

一句话总结

本文提出利用高红移射电源的21厘米射电吸收谱探测再电离前的星系际介质（IGM）。通过建模来自迷你星系晕和原星系盘的吸收，表明下一代射电望远镜如SKA和LOFAR可探测到这些特征，从而实现对IGM温度和辐射背景演化的测量，而伽马射电暴宿主星系的吸收则可作为光谱红移探测手段。

ABSTRACT

We study the absorption along lines of sight toward high-z radio sources caused by the 21 cm transition of neutral hydrogen in the intergalactic medium (IGM) before reionization. Using semi-analytic methods, we compute the number density of observable features caused by both ``minihalos'' (bound objects that are unable to cool efficiently because of their small virial temperatures) and protogalactic disks. We show that both sets of features should be observable by the next generation of low-frequency radio telescopes, including the Low Frequency Array and the Square Kilometer Array, provided that sufficiently bright background sources exist. The statistics of minihalo absorption features seen along lines of sight to radio-loud quasars offer a way to measure the evolution of the radiation background and the IGM temperature with cosmic time. Intersections with disks are much less common, but also cause much deeper absorption features that would be visible in the spectra of both radio-loud quasars and gamma-ray bursts (GRBs). The absorption feature caused by HI in the host galaxy of a GRB should be observable, offering a route to spectroscopically determine the burst redshift.

研究动机与目标

• 研究再电离前星系际介质中中性氢21厘米吸收特征的可探测性。
• 评估下一代低频射电望远镜对迷你星系晕和原星系盘吸收特征的可观测性。
• 探讨射电亮类星体视线方向的吸收统计特性如何约束IGM温度和辐射背景的演化。
• 评估在伽马射电暴（GRB）宿主星系中探测HI吸收作为光谱红移诊断的潜力。

提出的方法

• 使用半解析方法建模预再电离IGM中迷你星系晕和原星系盘的分布与特性。
• 计算沿高红移射电源视线方向可观测的21厘米吸收特征的数密度。
• 在真实条件下评估这些特征的可探测性，包括源的亮度和望远镜灵敏度。
• 评估射电和伽马射电暴余晖中来自迷你星系晕和原星系盘的吸收特征的深度与可探测性。
• 在LOFAR和SKA等下一代低频阵列的背景下，建模吸收特征的信噪比预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代低频射电望远镜能否探测到来自迷你星系晕和原星系盘的21厘米吸收特征？
• RQ2 类星体视线方向迷你星系晕吸收特征的统计特性如何约束IGM温度和辐射背景的演化？
• RQ3 在射电亮类星体和伽马射电暴余晖中，原星系盘吸收特征的预期深度和可探测性如何？
• RQ4 能否观测到伽马射电暴宿主星系中的HI吸收以提供光谱红移测量？

主要发现

• 迷你星系晕吸收特征在统计上丰富，只要背景射电源足够明亮，就应可被低频阵列（LOFAR）和平方公里阵列（SKA）探测到。
• 原星系盘吸收特征较为稀少，但产生更深的吸收，因此在射电亮类星体和伽马射电暴余晖光谱中可能可见。
• 类星体视线方向迷你星系晕吸收特征的统计特性为测量IGM温度和宇宙辐射背景随时间的演化提供了切实可行的方法。
• 伽马射电暴宿主星系中HI的21厘米吸收特征预计可被观测到，为直接测定爆发红移提供了一条光谱学途径。