研究团队在宇宙中性氢强度映射领域取得重要进展：MeerKLASS深场观测首次进入宇宙中性氢21cm信号主导区间
近日，由南非西开普大学、中国科学院上海天文台、英国曼彻斯特大学以及欧洲多国科研机构组成的MeerKLASS（MeerKAT大区域综合巡天）国际合作团队，在宇宙中性氢强度映射（HI Intensity Mapping;HI IM）领域取得重要进展。这一成果标志着中性氢强度映射研究首次进入以宇宙中性氢21cm信号为主导的观测阶段，为理解宇宙大尺度结构及暗能量提供了重要的观测依据，相关研究发表于国际天文学期刊《英国皇家天文学会月刊》（MNRAS），中国科学院上海天文台的王婧颖副研究员为共同通讯作者。
MeerKLASS项目利用位于南非的MeerKAT射电望远镜阵列，通过HI IM技术测量中性氢在宇宙大尺度结构中的分布。MeerKAT是平方公里阵列望远镜（SKA）的中频先导设备和未来组成部分。作为当前SKA时代中规模最大的中性氢强度映射实验之一，MeerKLASS团队的研究成果对未来SKA宇宙学研究具有重要的引领作用。
宇宙大尺度结构中的中性氢信号极为微弱，强度仅为前景辐射的万分之一，如同在暴雨中聆听一根针落地的声音，信号提取难度极高，一直是21cm宇宙学观测中的重大挑战。为推动相关研究，MeerKLASS团队于2021年利用MeerKAT望远镜在L波段，对236平方度的天区进行了接近4000小时的深度观测，实现了前所未有的数据精度（图1）。
图1：MeerKLASS深场观测获得的校准后天图 (1023 MHz)。
图2：MeerKLASS先导观测（上图；Wang et al. 2021）和深场观测（下图）沿各视线方向上的频谱对比，后者的频谱平滑性显著提高。
此次深场观测数据由高精度数据校准管线KATcali处理。该管线由中国科学院上海天文台王婧颖副研究员主持开发，融合了MeerKAT系统高精度建模技术与贝叶斯推断，校准后数据的热噪声水平被成功压制到约1.21 mK，仅为理论噪声极限的1.2倍。三维天图质量较此前MeerKLASS先导观测显著提升，沿各视线方向上的频谱更加平滑（图2）。得益于系统误差抑制与频谱结构改善，前景减除效果更为理想。此前需移除30个PCA本征信号才能实现理想的前景去除，如今仅需10个，效率大幅提高。
观测精度的显著提升，使MeerKLASS团队首次在单天线模式下实现了中性氢信号主导的自相关功率谱测量。在大尺度（k ≤ 0.15 h/Mpc）上，中性氢信号强度已明显超过观测热噪声水平（图3），标志着MeerKLASS成功获取了该尺度范围内以中性氢信号为主导的宇宙学信息。
此外，研究团队成功探测到MeerKAT单天线模式的中性氢强度与GAMA光学星系巡天数据之间的交叉关联信号，显著性大于4σ，验证了观测结果的可靠性。同时，通过对GAMA星系位置的MeerKLASS天图进行叠加(stacking)分析，首次明确探测到了中性氢发射信号，显著性超过7σ，进一步证实了中性氢强度映射方法在宇宙学观测中的巨大潜力。
图3：MeerKLASS单天线模式的中性氢自相关功率谱测量结果。
此前，MeerKLASS团队已开展了一系列先导研究，成功实现了MeerKAT单天线模式的首次中性氢强度映射观测（Wang et al. 2021），并首次探测到MeerKAT宇宙中性氢信号与WiggleZ光学星系巡天数据的交叉关联信号（Cunnington et al. 2023）。这些成果为此次深场观测奠定了坚实基础。依托MeerKLASS已积累及未来即将获取的观测数据，团队将持续推进宇宙大尺度结构演化、暗能量性质及其宇宙学效应等核心科学问题的深入研究。
本工作获得了中国科技部SKA专项的支持。
论文链接：https://academic.oup.com/mnras/article/537/4/3632/7997695
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科学联系人：王婧颖 jywang@shao.ac.cn
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