[论文解读] The MeerKAT Absorption Line Survey (MALS)

N. Gupta, R. Srianand+42 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 19

一句话总结

MALS 旨在利用 MeerKAT 的 L 波段和 UHF 波段接收机，开展一次深度、不受尘埃影响的巡天，探测 0 < z < 2 红移范围内星系间和星系关联气体中的 H i 21-cm 和 OH 18-cm 吸收线。凭借高灵敏度（N(H i) > 10¹⁹ cm⁻²），该巡天旨在测量冷气体截面的演化，约束恒星形成率密度的驱动因素，并实现对基本常数和磁场演化的精确检验。

ABSTRACT

Deep galaxy surveys have revealed that the global star formation rate (SFR) density in the Universe peaks at 1 &lt; z &lt; 2 and sharply declines towards z = 0. But a clear picture of the underlying processes, in particular the evolution of cold atomic (~100 K) and molecular gas phases, that drive such a strong evolution is yet to emerge. MALS is designed to use MeerKAT's L- and UHF-band receivers to carry out the most sensitive (N(HI)&gt;10$^{19}$ cm$^{-2}$) dust-unbiased search of intervening HI 21-cm and OH 18-cm absorption lines at 0 &lt; z &lt; 2. This will provide reliable measurements of the evolution of cold atomic and molecular gas cross-sections of galaxies, and unravel the processes driving the steep evolution in the SFR density. The large sample of HI and OH absorbers obtained from the survey will (i) lead to tightest constraints on the fundamental constants of physics, and (ii) be ideally suited to probe the evolution of magnetic fields in disks of galaxies via Zeeman Splitting or Rotation Measure synthesis. The survey will also provide an unbiased census of HI and OH absorbers, i.e. cold gas associated with powerful AGNs (&gt;10$^{24}$ W Hz$^{-1}$) at 0 &lt; z &lt; 2, and will simultaneously deliver a blind HI and OH emission line survey, and radio continuum survey. Here, we describe the MALS survey design, observing plan and the science issues to be addressed under various science themes.

研究动机与目标

• 测量 0 < z < 2 范围内星系中冷中性原子和分子气体截面的演化，解决恒星形成率密度出人意料下降的成因。
• 开展迄今为止最灵敏、不受尘埃影响的星系间 H i 21-cm 和 OH 18-cm 吸收线巡天，克服以往巡天的局限性。
• 为与高光度活动星系核（>10²⁴ W Hz⁻¹）相关的 H i 和 OH 吸收体提供可靠统计，以探究星际介质物理和磁场结构。
• 作为副产品，提供一次盲巡的 H i 和 OH 发射线巡天以及射电连续谱巡天，增强多波段协同观测能力。
• 通过精确测量谱线频率，实现对基本常数变化和宇宙加速膨胀的严格约束。

提出的方法

• 利用 MeerKAT 的 L 波段和 UHF 波段接收机，对南天（−40° < δ < +30°）的 300 个指向进行观测，目标为射电明亮的 FSRQ，其红移经光谱确认。
• 每个指向进行两次观测，间隔数月，利用地球的日心运动，通过 20–30 km s⁻¹ 的多普勒频移区分真实吸收与射频干扰（RFI）。
• 采用宽带谱线偏振测量技术，探测塞曼分裂和旋转量测量效应，实现对星系盘中磁场的探测。
• 利用 WISE 红外颜色对高红移（z > 1.4）候选类星体进行预选，效率约 75%，随后通过 SALT 和 NOT 的光学光谱观测确认红移。
• 开发数据处理流水线（ARTIP）用于校准、数据剔除和谱线检测，并定期向公众发布校准后的 visibilities 和图像数据。
• 将吸收线数据与中心源的 VLBI 图像结合，评估射电结构对吸收检测可辨识度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z ≈ 0 到 z ≈ 2，星系中冷中性原子和分子气体的截面如何演化？其恒星形成率密度的急剧下降由什么机制驱动？
• RQ2 在 0 < z < 2 范围内，H i 21-cm 吸收路径长度函数（n₂₁(z)）和 OH 18-cm 吸收路径长度函数（n_OH(z)）的真实演化规律是什么？
• RQ3 星系间 H i 和 OH 吸收体在多大程度上能够追踪星系盘、晕和星系群间介质中的冷气体储备？
• RQ4 H i 和 OH 谱线的观测频率能否提供对基本常数变化和宇宙加速膨胀的最严格约束？
• RQ5 通过吸收线中的塞曼分裂和旋转量测量合成，星系盘中的磁场如何随红移演化？

主要发现

• 预计该巡天将探测到约 200 个星系间的 H i 21-cm 吸收体和约 500 个相关的吸收体，且 N(H i) > 10¹⁹ cm⁻²，从而实现对路径长度函数的稳健测量。
• 第一年观测将聚焦于赤纬范围 −40° < δ < +30° 内 70% 的指向，目标为已确认红移的 FSRQ，以建立 n₂₁(z) 和 n_OH(z) 的可靠基线。
• 通过 WISE 预选和光学后续观测，团队在过去两年中已识别出约 100 个新的高红移（z > 1.4） FSRQ，显著扩展了目标源池。
• 该巡天将作为副产品提供一次盲巡的 H i 和 OH 发射线巡天以及射电连续谱巡天，数据将定期向科学界发布。
• 采用两次观测、多普勒频移为 20–30 km s⁻¹ 的方法，可明确区分真实吸收与 RFI，确保吸收体目录的可靠性。
• 对中心源进行 VLBI 成像，将可量化射电结构对吸收检测可辨识度及红移演化的影响。