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

Resumo Técnico: O Inquérito FAST Hundred-Deg2 H I Deep (HD2): Resultados Iniciais do Inquérito Piloto

Problema e Motivação
Os inquéritos cegos extragalácticos de H I enfrentaram historicamente um compromisso entre a cobertura do céu e a sensibilidade. Inquéritos interferométricos de grande campo (por exemplo, ALFALFA, WALLABY) cobrem grandes áreas, mas carecem da sensibilidade para detectar sistemas de baixa massa e pobres em gás ou galáxias fracas em altos redshifts. Por outro lado, inquéritos interferométricos profundos são limitados por pequenas áreas do céu, tornando-os suscetíveis à variância cósmica. Além disso, inquéritos cegos de H I frequentemente sofrem de vieses, perdendo galáxias pobres em H I (particularmente sistemas vermelhos e de tipo precoce), o que distorce a derivação de relações de massa de H I. Embora o empilhamento espectral e observações direcionadas (por exemplo, xGASS) tenham mitigado alguns desses problemas, um censo de alta completude do gás frio no Universo local exige um inquérito que combine a sensibilidade de um telescópio de prato único com a cobertura espectroscópica profunda de inquéritos ópticos modernos. O Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) oferece uma oportunidade sem precedentes para identificar contrapartes ópticas e realizar empilhamento espectral com alta completude, contudo seu desempenho no contexto de inquéritos de rádio requer avaliação contra benchmarks estabelecidos como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Metodologia
Os autores apresentam resultados iniciais de um inquérito piloto de 10 deg² do projeto Hundred-deg2 H I Deep (HD2), conduzido utilizando o Telescópio de Rádio Esférico de Quinhentos Metros de Abertura (FAST).

• Observações: O inquérito piloto visou uma região contígua (Ascensão Recta 15h36m–16h32m, Declinação 42°48′–43°48′) sobreposta ao Inquérito de Validação 3 (SV3) do Lançamento de Dados Iniciais (EDR) do DESI, HectoMAP e ao Programa Estratégico Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC-SSP). As observações utilizaram o receptor de 19 feixes no modo de mapeamento Multibeam On-The-Fly (OTF) com uma velocidade de varredura de 5″ s⁻¹. O inquérito alcançou um tempo de integração efetivo de 7,3 minutos por feixe, resultando em um RMS médio do mapa de 0,45 mJy beam⁻¹ com resolução de 4,8 km s⁻¹.
• Redução de Dados: Espectros brutos foram processados usando HiFAST, um pipeline dedicado para dados H I do FAST. Este pipeline inclui calibração de diodo de ruído, ajuste de linha de base, remoção de ondas estacionárias (via filtragem baseada em FFT), calibração de densidade de fluxo e gradeamento.
• Busca de Fontes: Fontes de H I foram identificadas usando SoFiA 2 com baixos limiares de detecção (4,0σ) para minimizar detecções perdidas, seguidas por inspeção visual rigorosa. O processo envolveu verificação da morfologia em duas polarizações e três varreduras independentes. Para recuperar fontes fracas perdidas pelo algoritmo automatizado de vinculação, os autores realizaram buscas direcionadas nas posições de redshifts conhecidos do DESI.
• Correspondência de Contraparte Óptica (OC): Um método probabilístico de correspondência foi empregado para associar fontes de H I a galáxias ópticas. A probabilidade ($P_{OC}$) foi calculada como o produto de quatro termos: deslocamento espacial ($P_{coord}$), separação de velocidade ($P_{vel}$), magnitude ($P_{mag}$) e cor ($P_{color}$). Este método foi testado contra redshifts espectroscópicos do DESI, redshifts fotométricos do DESI e dados do SDSS para quantificar taxas de correspondência e correção.
• Medição de Parâmetros: Fluxos foram medidos usando um método de curva de crescimento (CoG) para definir aberturas de fonte, garantindo o encerramento total do fluxo. Larguras de velocidade ($W_{50}$, $V_{85}$) foram derivadas usando tanto métodos padrão de fração de pico quanto uma técnica automatizada de CoG espectral.
• Empilhamento: Para investigar relações de escala para fontes não detectadas, os autores realizaram empilhamento espectral em galáxias isoladas da amostra BGS do DESI e em grupos de galáxias do catálogo de grupos do Inquérito de Legado do DESI.

Contribuições e Resultados Principais

• Catálogo de Fontes: O inquérito piloto detectou 339 fontes de H I em $z < 0.09$, correspondendo a uma densidade de fontes de 33,9 deg⁻². Isso é quase seis vezes maior que a taxa de detecção de inquéritos anteriores de grande campo em áreas similares. Destes, 259 foram identificados via SoFiA e 80 foram recuperados através de buscas direcionadas nas posições de redshifts do DESI, destacando a necessidade de priores ópticos para a recuperação de fontes fracas.
• Correspondência de Contraparte Óptica: O estudo demonstra que redshifts espectroscópicos do DESI melhoram significativamente a identificação de OC. Para galáxias com $r < 19.5$ mag, tanto a taxa de correspondência quanto a taxa de correção superam 90%, uma melhoria substancial em relação ao SDSS. Os autores quantificam a taxa de "confusão" (onde múltiplas contrapartes ópticas existem dentro do feixe) em aproximadamente 20% para amostras selecionadas pelo DESI, notando que estimativas baseadas no SDSS subestimam essa taxa devido à ausência de galáxias fracas.
• Taxas de Detecção: Dentro da amostra do Inquérito de Galáxias Brilhantes (BGS) do DESI, restrita a $r < 17.8$ mag e $0.01 < z < 0.05$, o inquérito piloto alcançou uma taxa de detecção de H I de quase 50%. Para galáxias massivas ($\log M_\star > 10$), a taxa aproxima-se de 70%.
• Relações de Escala: O artigo apresenta relações de escala de fração de gás H I versus massa estelar, densidade superficial de massa estelar, $NUV-r$ e taxa específica de formação estelar (sSFR). Essas relações, derivadas tanto de detecções diretas quanto de empilhamento espectral, são consistentes com inquéritos anteriores (ALFALFA, DINGO, xGASS). Os resultados confirmam que galáxias azuis, dominadas por discos, possuem reservatórios de gás maiores.
• Relação H I – Massa do Halo: Usando empilhamento de grupos, os autores derivaram a relação H I – massa do halo. Os resultados para galáxias isoladas ($N_g=1$) concordam bem com o empilhamento de grupos do ALFALFA. No entanto, devido ao volume limitado do inquérito, os dados do piloto ainda não resolvem o potencial achatamento ou diplo na relação em altas massas de halo ($10^{11.8} - 10^{13} M_\odot$) previsto por algumas simulações.

Significado
O artigo afirma que o inquérito piloto valida a viabilidade do inquérito completo HD2. Demonstra que a combinação da sensibilidade de prato único do FAST com a cobertura espectroscópica profunda do DESI permite um censo de H I de alta completude que supera os vieses dos inquéritos cegos. Os resultados justificam o desenho do inquérito completo para mapear uma área contígua de ~100 deg² com uma sensibilidade de 0,28 mJy beam⁻¹. Esta capacidade permitirá:

1. Uma determinação mais precisa da extremidade fraca da função de massa de H I no Universo local.
2. O estudo de relações de escala para sistemas de baixa massa e pobres em gás.
3. A identificação de populações raras, como galáxias de baixa superfície brilhante e nuvens escuras de H I (RELHICs).
4. A investigação da dependência do conteúdo de H I no ambiente de grande escala e na estrutura da teia cósmica, complementando inquéritos interferométricos com sensibilidade de prato único significativamente maior.

Os autores concluem que, embora o inquérito piloto esteja sujeito à variância cósmica e efeitos de seleção, ele confirma que os desafios técnicos foram abordados e estabelece o potencial científico do projeto completo HD2 para fornecer insights sobre a conexão entre reservatórios de gás atômico e propriedades galácticas.