The FAST Hundred-Deg$^2$ HI Deep (HD$^2$) Survey: Early Results from the Pilot Survey

Resumen Técnico: La Encuesta HD2 (Hundred-Deg2 H I Deep) del FAST: Resultados Tempranos de la Encuesta Piloto

Problema y Motivación
Las encuestas ciegas extragalácticas de H I han enfrentado históricamente una compensación entre la cobertura del cielo y la sensibilidad. Las encuestas interferométricas de gran campo (por ejemplo, ALFALFA, WALLABY) cubren grandes áreas pero carecen de la sensibilidad para detectar sistemas de baja masa y pobres en gas o galaxias tenues a altos corrimientos al rojo. Por el contrario, las encuestas interferométricas profundas están limitadas por pequeñas áreas de cielo, lo que las hace susceptibles a la varianza cósmica. Además, las encuestas ciegas de H I a menudo sufren de sesgos, omitiendo galaxias pobres en H I (particularmente sistemas rojos y de tipo temprano), lo que distorsiona la derivación de las relaciones de masa de H I. Aunque el apilamiento espectral y las observaciones dirigidas (por ejemplo, xGASS) han mitigado algunos de estos problemas, un censo de alta completitud del gas frío en el Universo local requiere una encuesta que combine la sensibilidad de un telescopio de plato único con la cobertura espectroscópica profunda de las encuestas ópticas modernas. El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) ofrece una oportunidad sin precedentes para identificar contrapartes ópticas y realizar apilamiento espectral con alta completitud, sin embargo, su rendimiento en el contexto de las encuestas de radio requiere una evaluación frente a referencias establecidas como la Encuesta Digital del Cielo Sloan (SDSS).

Metodología
Los autores presentan resultados tempranos de una encuesta piloto de 10 grados cuadrados del proyecto Hundred-deg2 H I Deep (HD2), realizada utilizando el Telescopio de Radio Esférico de Apertura de Quinientos Metros (FAST).

• Observaciones: La encuesta piloto apuntó a una región contigua (AR 15h36m–16h32m, Dec 42°48′–43°48′) que se superpone con la Validación 3 (SV3) de la Liberación Temprana de Datos (EDR) de la Encuesta DESI, HectoMAP y el Programa Estratégico de Subaru con Hyper Suprime-Cam (HSC-SSP). Las observaciones utilizaron el receptor de 19 haces en modo de mapeo Multibeam On-The-Fly (OTF) con una velocidad de escaneo de 5″ s⁻¹. La encuesta logró un tiempo de integración efectivo de 7.3 minutos por haz, resultando en un RMS mediano del mapa de 0.45 mJy beam⁻¹ a una resolución de 4.8 km s⁻¹.
• Reducción de Datos: Los espectros crudos fueron procesados utilizando HiFAST, un pipeline dedicado para datos de H I de FAST. Este pipeline incluye calibración con diodo de ruido, ajuste de base, eliminación de ondas estacionarias (mediante filtrado basado en FFT), calibración de densidad de flujo y mapeo en cuadrícula.
• Búsqueda de Fuentes: Las fuentes de H I fueron identificadas utilizando SoFiA 2 con umbrales de detección bajos (4.0σ) para minimizar las detecciones perdidas, seguidas de una inspección visual rigurosa. El proceso implicó verificar la morfología en dos polarizaciones y tres escaneos independientes. Para recuperar fuentes tenues pasadas por alto por el algoritmo de vinculación automatizado, los autores realizaron búsquedas dirigidas en las posiciones de los corrimientos al rojo conocidos de DESI.
• Emparejamiento de Contrapartes Ópticas (OC): Se empleó un método de emparejamiento probabilístico para asociar fuentes de H I con galaxias ópticas. La probabilidad ($P_{OC}$) se calculó como el producto de cuatro términos: desplazamiento espacial ($P_{coord}$), separación de velocidad ($P_{vel}$), magnitud ($P_{mag}$) y color ($P_{color}$). Este método fue probado contra corrimientos al rojo espectroscópicos de DESI, corrimientos al rojo fotométricos de DESI y datos de SDSS para cuantificar las tasas de emparejamiento y corrección.
• Medición de Parámetros: Los flujos se midieron utilizando un método de curva de crecimiento (CoG) para definir las aperturas de la fuente, asegurando la inclusión completa del flujo. Los anchos de velocidad ($W_{50}$, $V_{85}$) se derivaron utilizando tanto métodos estándar de fracción de pico como una técnica automatizada de CoG espectral.
• Apilamiento: Para explorar las relaciones de escala para fuentes no detectadas, los autores realizaron apilamiento espectral en galaxias aisladas de la muestra BGS de DESI y en grupos de galaxias del catálogo de grupos de la Encuesta Legacy de DESI.

Contribuciones y Resultados Clave

• Catálogo de Fuentes: La encuesta piloto detectó 339 fuentes de H I a $z < 0.09$, correspondientes a una densidad de fuentes de 33.9 deg⁻². Esto es casi seis veces mayor que la tasa de detección de encuestas de gran campo anteriores en áreas similares. De estas, 259 fueron identificadas mediante SoFiA y 80 fueron recuperadas mediante búsquedas dirigidas en las posiciones de corrimientos al rojo de DESI, destacando la necesidad de priores ópticos para la recuperación de fuentes tenues.
• Emparejamiento de Contrapartes Ópticas: El estudio demuestra que los corrimientos al rojo espectroscópicos de DESI mejoran significativamente la identificación de OC. Para galaxias con $r < 19.5$ mag, tanto la tasa de emparejamiento como la tasa de corrección superan el 90%, una mejora sustancial sobre SDSS. Los autores cuantifican la tasa de "confusión" (donde existen múltiples contrapartes ópticas dentro del haz) en aproximadamente 20% para muestras seleccionadas por DESI, señalando que las estimaciones basadas en SDSS subestiman esta tasa debido a la omisión de galaxias tenues.
• Tasas de Detección: Dentro de la muestra de la Encuesta de Galaxias Brillantes (BGS) de DESI, restringida a $r < 17.8$ mag y $0.01 < z < 0.05$, la encuesta piloto logró una tasa de detección de H I de casi 50%. Para galaxias masivas ($\log M_\star > 10$), la tasa se acerca al 70%.
• Relaciones de Escala: El artículo presenta relaciones de escala de la fracción de gas H I frente a la masa estelar, la densidad superficial de masa estelar, $NUV-r$ y la tasa específica de formación estelar (sSFR). Estas relaciones, derivadas tanto de detecciones directas como de apilamiento espectral, son consistentes con encuestas anteriores (ALFALFA, DINGO, xGASS). Los resultados confirman que las galaxias azules dominadas por discos poseen reservorios de gas más grandes.
• Relación H I – Masa de Halo: Utilizando el apilamiento de grupos, los autores derivaron la relación H I – masa de halo. Los resultados para galaxias aisladas ($N_g=1$) coinciden bien con el apilamiento de grupos de ALFALFA. Sin embargo, debido al volumen limitado de la encuesta, los datos piloto aún no resuelven el posible aplanamiento o hundimiento en la relación a altas masas de halo ($10^{11.8} - 10^{13} M_\odot$) predicho por algunas simulaciones.

Significado
El artículo afirma que la encuesta piloto valida la viabilidad de la encuesta completa HD2. Demuestra que la combinación de la sensibilidad de plato único de FAST y la cobertura espectroscópica profunda de DESI permite un censo de H I de alta completitud que supera los sesgos de las encuestas ciegas. Los resultados justifican el diseño de la encuesta completa para mapear un área contigua de ~100 grados cuadrados con una sensibilidad de 0.28 mJy beam⁻¹. Esta capacidad permitirá:

1. Una determinación más precisa del extremo tenue de la función de masa de H I en el Universo local.
2. El estudio de relaciones de escala para sistemas de baja masa y pobres en gas.
3. La identificación de poblaciones raras, como galaxias de baja superficie brillante y nubes oscuras de H I (RELHICs).
4. Explorar la dependencia del contenido de H I del entorno a gran escala y la estructura de la red cósmica, complementando las encuestas interferométricas con una sensibilidad de plato único significativamente mayor.

Los autores concluyen que, aunque la encuesta piloto está sujeta a varianza cósmica y efectos de selección, confirma que los desafíos técnicos han sido abordados y establece el potencial científico del proyecto HD2 completo para proporcionar información sobre la conexión entre los reservorios de gas atómico y las propiedades de las galaxias.