The FAST HI 21-cm Absorption Blind Survey. III. OH Absorption Search in the 21-cm Absorber Sample and Continued HI Absorption Search

技术摘要：FAST HI 21厘米吸收盲巡天（III）：HI 吸收样本中的 OH 吸收搜索及持续的 HI 吸收搜索

问题与动机
羟基自由基（OH）是追踪星际介质和星系周介质物理与化学条件的关键示踪物，特别是在碳单氧化物（CO）可能处于光学厚或效率较低的弥散分子气体中。虽然针对背景射电连续谱源的 OH 吸收吸收是探测宇宙学距离非增益星系中 OH 的主要方法，但迄今为止仅发现了六个宇宙学 OH 吸收体。这种稀缺性归因于望远镜灵敏度不足、射电频率干扰（RFI）、以往巡天中的选择偏差以及 OH 本身的低丰度。此外，已知的 OH 吸收体一致地在 H i 21 厘米吸收中被探测到，这表明 H i 选取的样本可以为系统的 OH 搜索提供有效的母体种群。本研究旨在通过进行无偏的 OH 吸收盲搜索，以约束射电选取的 H i 吸收体中的 OH 含量，并测试 OH 与 H i 丰度之间的相关性，从而避免靶向巡天中固有的选择偏差。

方法论
作者利用五百米口径球面射电望远镜（FAST）的数据，进行了 H i 21 厘米吸收的盲搜索以及随后的 OH 18 厘米吸收靶向搜索。

• 数据来源： 本研究利用来自 CRAFTS（Commensal Radio Astronomy FasT Survey）和 FASHI（FAST All Sky H i Survey）的 2024 年及部分 2025 年数据扩展了之前的盲 H i 搜索，覆盖范围为 394.4 小时和 1622.1 平方度。这些数据还结合了 FATHOMER（FAst neuTral HydrOgen intensity Mapping ExpeRiment）的数据。
• H i 探测： 应用了一种盲搜索算法，将 NRAO VLA 天空调查（NVSS）中通量密度大于 12 mJy 的源进行交叉匹配。通过对 XX 和 YY 极化进行高斯模板匹配滤波来识别候选体，要求组合速度积分信噪比（S/N）> 5.5。
• 后续观测与表征： 通过使用 FAST L 波段 19 个馈电喇叭（FLAN）的后续 ON-OFF 跟踪观测，确认了七个新的 H i 吸收系统。通过使用高斯函数对吸收轮廓进行建模并积分光学深度，推导出了物理性质（柱密度、自旋温度、覆盖因子）。
• OH 搜索： 对于 19 个红移后的 OH 18 厘米谱线（1612、1665、1667 和 1720 MHz）落在 FAST L 波段（1.0–1.5 GHz）范围内的 H i 吸收系统，作者对其进行了 OH 吸收搜索。
• 统计分析： 为了处理高比例的非探测情况（上限值），研究采用了基于贝叶斯截断回归（linmix）的生存分析，以研究 $N_{\text{OH}}$ 与 $N_{\text{H I}}$ 以及 $N_{\text{OH}}$ 与 $N_{\text{H I}}$ 之间的相关性，以及 $N_{\text{OH}}/N_{\text{H I}}$ 随红移的变化。此外还进行了谱线堆叠（spectral stacking），以获得相关、介入及组合样本中 OH 丰度的严格上限。

主要贡献与结果

1. 扩展 H i 目录： 巡天识别了四个新的 H i 吸收系统并重新探测到了三个已知系统，使 FAST 盲 H i 吸收目录的总数达到 41 个（18 个相关型、12 个介入型和 11 个未定型）。
2. 首次盲搜索探测到 OH 吸收： 巡天成功在已知系统 PKS 1413+135 中重新探测到 OH 1612 MHz 吸收和 OH 1720 MHz 发射。这标志着首次在盲搜索中探测到 OH 吸收，验证了使用 H i 选定样本进行 OH 搜索的策略。在剩余的 18 个系统中未发现新的 OH 吸收体。
3. 对 OH-H i 相关性的约束： 通过对样本应用生存分析，研究发现对于相关型或介入型吸收体，不存在 $N_{\text{OH}}$ 与 $N_{\text{H I}}$ 之间具有统计显著性的相关性。同样，未发现 $N_{\text{OH}}/N_{\text{H I}}$ 随红移变化的显著性。作者指出，以往报告此类相关性的研究可能受到了倾向于富尘、富分子系统的选择偏差的影响。
4. 严格的丰度上限： 对非探测样本进行的谱线堆叠得出了目前为止对射电选取的 H i 吸收体中 OH 含量的最严苛限制。相关型、介入型及组合样本的 3$\sigma$ OH 柱密度上限分别为 $4.93 \times 10^{12}$、$1.64 \times 10^{12}$ 和 $1.72 \times 10^{12} \, T_{\text{ex}}/c_{f,\text{OH}} \, \text{cm}^{-2} \text{K}^{-1}$。假设 $T_{\text{ex}}=10$ K 且 $T_{\text{s}}=100$ K，这些数值对应的丰度比为 $[\text{OH}]/[\text{H I}] < 1.66 \times 10^{-8}$、$< 1.42 \times 10^{-8}$ 以及 $< 0.90 \times 10^{-8}$。这些极限与银河系弥散视线中的数值相当或更低，且显著低于已知的河外 OH 吸收体。

意义
本文确立了已知的 H i 21 厘米吸收体是系统性 OH 吸收搜索的有效母体样本，这一策略已通过首次盲搜索探测到 OH 吸收得到了验证。结果表明，虽然 H i 吸收是探测 OH 的必要条件，但并非充分条件，这意味着大多数 H i 吸收体是贫分子的，或者 OH 被局限在小的、低填充因子的团块中。该研究强调了无偏巡天在避免以往靶向搜索中常见的选择偏差方面的重要性，以往的搜索往往倾向于富尘环境。这项工作所设定的严格上限为未来研究 H i 选定系统中的分子气体提供了新的基准，并强调了扩大样本规模以明确约束 OH–H i 联系的物理驱动因素及基本物理常数稳定性的必要性。作者总结道，未来需要利用下一代设施（如 FAST Core Array, SKA）进行宽带宽巡天，以扩大这些样本并实现更高的统计精度。