基于星系形成半解析模型建立FAST望远镜HI河外巡天模拟样本

The construction of the FAST telescope will be completed in September 2016. With the high sensitivity and high angular resolution of FAST, one of its main science targets is to explore the neutral hydrogen in the Universe. Based on our previous semi-analytic models of galaxy formation with atomic and molecular gas components, we will predict the HI 21cm observation for FAST extragalactic HI surveys in this project. We will make some minor improvements on the physical processes in our models, and construct mock catalogues using the model results based on Millennium, Millennium II and Aquarius simulation haloes. Then we can predict the observation for HI surveys together with the device parameters of the FAST telescope. We will simulate the HI surveys in the scales of local dwarf galaxies, disk galaxies at low redshift and galaxies or clusters at high redshift. On the other hand, the results in this project combined with the future observational results from FAST telescope can help to study the dark galaxies, the nature of dark matter particles, large-scale structures, dark energy, interstellar cold gas and galaxy evolution.

FAST望远镜将于2016年9月建造完成，完工后FAST望远镜的科学目标之一就是利用其高分辨率和高灵敏度来“巡视宇宙中的中性氢”。本项目将在我们之前包含分子和原子气体成分的星系形成和演化半解析模型基础上，预言中性氢21厘米观测，为将来FAST望远镜河外HI射电巡天做模拟。我们将对目前已有模型的一些物理过程做适当修正和改进，然后利用模型基于Millennium 、Millennium II、Aquarius模拟halo上的运行结果，得到mock catalogue，并结合FAST望远镜的特性和参数，给出本星系群中矮星系、低红移盘星系、高红移星系和星系团这三个尺度上的HI巡天模拟样本。另一方面，利用本项目的计算分析结果，还将为今后基于FAST的观测来研究黑暗星系与暗物质粒子性质、大尺度结构与暗能量性质、星际冷气体与星系演化过程起到很大的帮助。

本项目利用我们之前的L-Galaxies半解析星系形成模型，运行于Millennium、Aquarius、ELUCID等halo之上，基于模型关于中性氢气体HI的输出结果，给即将开始的FAST望远镜科学项目之一“巡视宇宙中的中性氢”构建21cm模拟观测，我们主要研究了以下几方面：.1、利用光锥算法(light cone algorithm)把模拟输出的立方体空间在三维空间和红移方向上堆叠排布，转化成观测者球体坐标系，构建星系的观测模拟，并把其中的HI气体质量和面密度转化成L-band 21cm的辐射流量，从而给出HI 21cm的mock catalogue。这些mock catalogue包括近邻宇宙中单个可分辨星系的21cm流量观测模拟和高红移宇宙中星系群与星系团尺度的21cm流量观测模拟。.2、根据模型输出的星系盘上气体的径向面密度轮廓以及盘上HI气体的旋转曲线，构建近邻盘星系21cm的流量线轮廓观测模拟，给出每个模拟星系的观测谱线，以及高红移处星系团星系群的谱线观测模拟。.3、根据模型关于中性氢气体在星系团中随红移演化的结果，以及FAST望远镜L-band巡天的参数，模拟了不同红移处FAST所能探测到的富气体团(gas rich cluster)的数目，预言了红移0.5以上，FAST应该能探测到很多富气体团。.4、完成包含盘上径向分布结构的多种元素化学演化的半解析模型，合并了之前包含分子—原子气体成分和多种元素化学演化过程的两个模型分支，目前结果能够给出不同元素丰度梯度在星系盘上的分布信息。.本项目的开展，使得我们对于星系形成和演化的半解析模型有了进一步完善，基于模型结果，对于宇宙中中性氢气体成分有了更进一步的认识，为FAST望远镜计划于2019年开展的L-band中性氢巡天项目有了重要的预言和指导作用。另一方面，模型关于冷气体剥离、径向分布等的工作也为之后关于星系中HI气体对星系形成和演化作用的研究起到了很好的帮助。