[論文レビュー] A Virtual Sky with Extragalactic HI and CO Lines for the SKA and ALMA

Danail Obreschkow, Hans-Rainer Kloeckner+3 more|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|Aug 7, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、ミレニアム・シミュレーションに基づく半アナリティカル銀河モデルを用いて、500 h⁻¹ Mpc の共動体積内での銀河系外のHIおよびCO線放出を大規模な天の川シミュレーションとして提示する。主な結果として、z ≳ 2 では、進化なしモデルが予測するよりもHI線放出が著しく検出困難になることが示され、現在の仮定に疑問を呈するとともに、将来のSKAおよびALMA観測による半アナリティカルモデルの検証が可能になる。

ABSTRACT

We present a sky simulation of the atomic HI emission line and the first ten CO rotational emission lines of molecular gas in galaxies beyond the Milky Way. The simulated sky field has a comoving diameter of 500/h Mpc, hence the actual field-of-view depends on the (user-defined) maximal redshift zmax; e.g. for zmax=10, the field of view yields ~4x4 sqdeg. For all galaxies, we estimate the line fluxes, line profiles, and angular sizes of the HI and CO emission lines. The galaxy sample is complete for galaxies with cold hydrogen masses above 10^8 Msun. This sky simulation builds on a semi-analytic model of the cosmic evolution of galaxies in a Lambda-cold dark matter (LCDM) cosmology. The evolving CDM-distribution was adopted from the Millennium Simulation, an N-body CDM-simulation in a cubic box with a side length of 500/h Mpc. This side length limits the coherence scale of our sky simulation: it is long enough to allow the extraction of the baryon acoustic oscillations (BAOs) in the galaxy power spectrum, yet the position and amplitude of the first acoustic peak will be imperfectly defined. This sky simulation is a tangible aid to the design and operation of future telescopes, such the SKA, the LMT, and ALMA. The results presented in this paper have been restricted to a graphical representation of the simulated sky and fundamental dN/dz-analyzes for peak flux density limited and total flux limited surveys of HI and CO. A key prediction is that HI will be harder to detect at redshifts z>2 than predicted by a no-evolution model. The future verification or falsification of this prediction will allow us to qualify the semi-analytic models.

研究の動機と目的

• 大規模な宇宙論的体積にわたる銀河系外の原子HIおよびCO回転線放出の空間的・スペクトル的分布をシミュレートすること。
• 将来的な電波望遠鏡（SKA、ALMA、LMTなど）によるHIおよびCO線の検出可能性に関する定量的予測を提供すること。
• 将来的な観測と比較することで、半アナリティカル銀河モデルの予測を検証すること。
• HIおよびCO線のパワースペクトルを通じた大規模構造の研究、特にバリオン音響振動（BAO）の研究を可能にすること。
• 次世代の電波およびミリ波帯望遠鏡のためのサーベイ設計と最適化を支援するため、源数密度と混乱限界をモデル化すること。

提案手法

• シミュレーションは、ミレニアムN体シミュレーションのダークマター分布に埋め込まれた半アナリティカル銀河モデルを用い、共動ボリュームサイズは500 h⁻¹ Mpcである。
• 銀河の性質（冷たいHI質量およびCOランク）はモデルから導出され、HI質量の完全性限界は10⁸ M☉である。
• HI 21 cm線および最初の10個のCO回転遷移（J=1–10）について、線の放射度、ドップラー補正された周波数、および視直径を計算する。
• 空域は、ユーザーが定義した最大赤方偏移 z_max まで延びる円錐型の体積として構築され、z_max=10 では視野が約4×4 deg² に相当する。
• 宇宙論的膨張の効果を含み、異なる赤方偏移における観測された線プロファイルおよび放射度密度を予測可能である。
• 観測制約と照合され、ピーク放射度限界および全放射度限界の両方のdN/dz分布を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の時間経過に伴い、特に高赤方偏移 z ≳ 2 において、銀河系外のHIおよびCO線放出の検出可能性はどのように変化するか？
• RQ2 現在の半アナリティカルモデルは、物理的状態の進化を考慮しない場合に比べ、高赤方偏移におけるHIの検出可能性をどの程度過大評価しているか？
• RQ3 シミュレートされた線分布および源数密度を用いて、SKAおよびALMAのサーベイ戦略を最適化できるか？
• RQ4 シミュレートされた空域は、HIおよびCO線のパワースペクトルにおけるバリオン音響振動（BAO）特徴をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 高赤方偏移におけるHIおよびCOサーベイの期待される混乱レベルおよび源の混乱限界はどのようになるか？

主な発見

• HI線放出は、no-evolutionモデルが予測するよりも、z ≳ 2 で著しく検出困難になることが予測され、銀河の冷たいガス含量に強い進化が見られることが示唆される。
• シミュレートされた空域は共動直径500 h⁻¹ Mpcをカバーし、z_max = 10 で視野が約4×4 deg² に達する。これにより大規模構造の研究が可能になる。
• シミュレーションはバリオン音響振動（BAO）の特徴を再現しているが、500 h⁻¹ Mpc の有限ボリュームサイズのため、最初のピークは poorly constrained である。
• HIおよびCO線両方のdN/dz分布は強い赤方偏移進化を示しており、星形成銀河における高いランクゆえに、CO検出はHI検出よりも高い赤方偏移でピークに達する。
• CO(1–0)およびCO(2–1)線は、z ≈ 6.4 まで検出可能であると予測されており、ULIRGおよびQSOにおける観測結果と整合的である。
• モデルは混乱限界、線のスタッキング性能、およびALMAおよびSKAサーベイの異なる赤方偏移および放射度領域における最適観測戦略の予測の基盤を提供する。