Die Radio-Himmel kartieren: Ein neuer Ansatz

Eine Karte des Radioskys zu erstellen, ist super wichtig, besonders wenn wir das 21-cm-Emissionslinien-Signal aus der Zeit, als das Universum noch sehr jung war, erkennen wollen, bekannt als die Epoche der Reionisation (EoR). Diese Karte hilft Wissenschaftlern in vielen Bereichen der Weltraumforschung. Um diese Karte zu erstellen, haben wir Daten aus einer Radio-Vermessung namens LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS) bei 150 MHz verwendet. Mit diesen Daten haben wir herausgefunden, wie hell verschiedene Radioquellen sind, einschliesslich verschiedener Arten von Radiogalaxien und aktiven galaktischen Kernen.

Wir haben ein Computerprogramm namens Tiered Radio Extragalactic Continuum Simulation (T-RECS) aktualisiert, um bessere mock Radioquellenkataloge zu erstellen. Die gefälschten Quellenzahlen aus unserer aktualisierten Arbeit passten besser zu dem, was wir tatsächlich am Himmel sehen, besonders bei fernen Galaxien. Wir haben auch festgestellt, dass unser Modell eine niedrigere Anzahl von schwachen Quellen vorhersagte als T-RECS, was hilfreich sein könnte, um Signale im Niedrigfrequenzband des Radiospektrums zu studieren.

Wenn es um die Intensitätskarten der 21-cm-Emissionslinie bei einem Rotverschiebung von etwa 6 und darüber hinaus geht, bieten sie eine einzigartige Möglichkeit, einen Blick darauf zu werfen, was im Universum während der Epoche der Reionisation passiert ist. Allerdings gibt es ein kleines Problem, weil die Signale, die wir detektieren wollen, sich mit unerwünschten Hintergrund-Radiowellen vermischen, die von unserer eigenen Milchstrasse und anderen Quellen stammen, die nicht ganz das sind, wonach wir suchen.

Diese unerwünschten Quellen können in zwei Haupttypen klassifiziert werden: Aktive Galaktische Kerne (AGNs) und Sternentstehungs-Galaxien (SFGs). Nicht-AGN-Quellen erzeugen Radiowellen durch Dinge wie Supernova-Explosionen oder Gaswolken. AGNs hingegen fressen Gas und während sie das tun, schiessen sie auch Radiowellen aus. AGNs können laut oder schüchtern sein, und wir nennen sie radio-loud (RL) und radio-quiet (RQ) Typen.

Die radio-loud AGNs erzeugen die meisten ihrer Radiosignale durch kraftvolle Teilchenstrahlen. Je nachdem, wie sie aussehen und sich verhalten, können wir sie weiter in High Excitation Radio Galaxies (HERGs) und Low Excitation Radio Galaxies (LERGs) unterteilen. Bei den radio-quiet AGNs ist der Ursprung ihrer Radiosignale noch nicht ganz klar.

Das Simulieren des Radioskys ist ein praktisches Werkzeug für Astronomen. Zum Beispiel hilft es ihnen herauszufinden, wie vollständig ihre Radio-Vermessungen sind und vorherzusagen, welche Arten von Radioquellen sie in zukünftigen Vermessungen sehen könnten. In Bezug auf die Reionisationsforschung ermöglicht es ihnen, das Hintergrundrauschen abzuschätzen, das das 21-cm-Signal, das sie studieren wollen, verdecken könnte.

Das T-RECS-Modell wurde entwickelt, um die beiden Haupttypen von Radiogalaxien zu simulieren: AGNs und SFGs. Es berücksichtigt Dinge wie, wie hell die Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen sind und ihre Cluster-Eigenschaften. Da T-RECS seine Daten jedoch hauptsächlich aus höheren Frequenzen erhält, kann dies einige Lücken verursachen, wenn es darum geht, zu verstehen, was in niedrigeren Frequenzen passiert.

In den letzten Jahren gab es viele neue Niedrigfrequenz-Radio-Vermessungen, die uns mehr Informationen als je zuvor gegeben haben. Eine der umfassendsten Vermessungen wurde von LOFAR durchgeführt, die etwa 80.000 Radioquellen identifizierte und sie in HERGs, LERGs, RQ-AGNs und SFGs einteilte.

Im Vergleich zu T-RECS bietet der neue Katalog mehr Vielfalt, da er die RQ-AGNs und zusätzliche Quellen in höheren Entfernungen einbezieht. Das hilft, Diskrepanzen zu beseitigen, die wir in diesen hohen Entfernungen beobachtet haben.

Das Square Kilometre Array (SKA) wird gerade gebaut und wird noch bessere Beobachtungen in der Radioastronomie bieten. Das bedeutet, wir müssen unsere Simulationen richtig hinbekommen, damit wir uns auf das vorbereiten können, was das SKA erkennen wird und wie wir die Herausforderungen beim Erfassen des EoR-Signals bewältigen.

In dieser Arbeit präsentieren wir einen frischen Blick darauf, wie man Radioquellen und ihre Evolutionsmodelle klassifizieren kann. Wir gliedern es in Abschnitte, beginnend mit der Auswahl unserer Daten, gefolgt von unseren Modellen für AGNs und SFGs, und einem Vergleich unserer Ergebnisse mit dem, was bereits beobachtet wurde.

Da Radiowellen sich nicht um Staub kümmern, gibt uns die Verwendung tiefgehender Radio-Vermessungen einen klaren Blick auf Galaxien und AGNs. Basierend auf der tiefen 150 MHz LOFAR-Vermessung über drei Himmelregionen, die viel Teleskopzeit in Anspruch nahm, haben wir einen Katalog von 81.951 Quellen erstellt. Wir haben diese Quellen dann in verschiedene Kategorien basierend auf ihren Helligkeitsstufen und Eigenschaften klassifiziert.

Für die Quellen mit niedrigen Radiowellen haben wir herausgefunden, ob sie SFGs oder RQ-AGNs waren, basierend auf ihren Radiospektren. Hochenergetische Radioquellen wurden in LERGs und HERGs unterteilt. Das haben wir gemacht, indem wir Ergebnisse aus verschiedenen Codes verglichen haben, die dafür entwickelt wurden, wie die Energie über verschiedene Wellenlängen für jede Quelle verteilt ist. Das half uns, die Star-Formation-Rate und Massen effektiv zuzuweisen.

Die Radioquellen bestehen hauptsächlich aus AGNs und SFGs, was unseren neuen Katalog perfekt macht, um die Hintergrundquellen für das 21-cm-Signal zu simulieren. Um unsere Auswahl zu verfeinern, haben wir nach Quellen innerhalb bestimmter Rotverschiebungsbereiche und einem Flussdichte-Limit Ausschau gehalten, auf das wir uns verlassen konnten. So konnten wir eine Gesamtanzahl an Quellen identifizieren und gleichzeitig diejenigen herausfiltern, die nicht unseren Kriterien entsprachen.

Als nächstes beschreiben wir unsere Modelle zum Verständnis der Luminositätsfunktionen. Diese Funktionen beschreiben, wie hell verschiedene Arten von Radiogalaxien sind und wie sich diese Helligkeit im Laufe der Zeit verändert. Wir haben diese Funktionen angepasst, basierend auf dem, was wir aus unseren Katalogdaten gelernt haben, indem wir eine Methode namens Monte Carlo Markov Chain verwendet haben, um eine Bandbreite an Wahrscheinlichkeiten für diese Messungen zu erhalten.

Wir haben unsere Luminositätsfunktionen für HERGs und LERGs basierend darauf festgelegt, wie sich ihre Eigenschaften mit der Rotverschiebung verändern. Das beinhaltete die Aktualisierung von Werten, um darzustellen, wie sich diese Funktionen im Laufe der Zeit entwickelt haben.

RQ-AGNs zeigen Anzeichen von Aktivität über verschiedene Wellenlängen hinweg, aber sie haben nicht die starken Radiostrahlen, die typisch für radio-loud Typen sind. Die genauen Quellen ihrer Radioemissionen sind noch umstritten. Es scheint jedoch, dass sowohl Sternentstehung als auch ein zentraler Kern eine Rolle bei der Produktion von Radioemissionen spielen könnten.

Wir haben auch die Star-Formation-Rate für alle Quellen geschätzt. Für RQ-AGNs und SFGs verwenden wir eine Beziehung zwischen ihrer Radio-Luminosität und ihrer Star-Formation-Rate. Für HERGs und LERGs haben wir einen zusätzlichen Radio-Überschuss festgestellt, den wir bei der Berechnung der Gesamt-Star-Formation-Rate berücksichtigt haben.

Ein weiterer Aspekt, den wir uns angeschaut haben, ist der spektrale Index, der beschreibt, wie die Frequenz von Radiowellen zueinander in Beziehung steht. Wir haben herausgefunden, dass die spektralen Indexverteilungen sowohl für AGNs als auch für SFGs konsistente Muster aufwiesen, die wir verwendet haben, um die spektralen Indizes für unsere Quellen zu berechnen.

Um die Ergebnisse unseres Modells zusammenzufassen, haben wir unsere Vorhersagen rigoros mit bestehenden Beobachtungen und anderen Simulationen verglichen, um unsere Arbeit zu rechtfertigen. Wir haben uns besonders darauf konzentriert, wie nah unsere Ergebnisse den tatsächlichen Quellen waren, die wir am Himmel erwarten.

Im Wesentlichen haben unsere Simulationen und Modelle uns näher gebracht, das Durcheinander von Radioquellen im Universum zu verstehen. Wir haben entdeckt, dass unsere Methoden eine verbesserte Übereinstimmung mit realen Daten bieten, was in zukünftigen Studien des Radioskys hilfreich sein könnte.

Wir haben sogar unseren modifizierten T-RECS-Code für andere in der Forschungsgemeinschaft zugänglich gemacht. Das bedeutet, dass wir, während wir mehr vom Niedrigfrequenz-Radiosignal-Himmel erkunden, Werkzeuge bereitstellen, damit andere an der Suche teilnehmen können.

Mit ein wenig Humor fühlt es sich an, als würde man versucht, Schmetterlinge mit einem Netz aus Spaghetti zu fangen, während man im Universum umherläuft und all diese faszinierenden Radiosignale beobachtet- es ist herausfordernd, aber umso lohnender, wenn man endlich ein paar zu fassen bekommt!