[論文レビュー] An empirical representation of a physical model for the ISM [CII], CO, and [CI] emission at redshift $1\leq z\leq9$

Shengqi Yang, Gergö Popping+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 1 ≤ z ≤ 9 の範囲で、[C II]、CO J=1–5、[C I] のサブミリ波長線放出に対して、計算的に効率的で経験的にキャリブレーションされたモデルを提示する。このモデルは、赤方偏移に依存する対数正規分布の散乱を伴う、ライン発光度とハロー質量の間の二重べき乗則的関係を仮定している。モデルは、シミュレーションされたライン強度（≤10%の分数誤差）およびパワー スペクトル（≤25%の差異）を正確に再現でき、近い将来の線強度マッピング調査の信頼できる予測を可能にする。

ABSTRACT

Sub-millimeter emission lines produced by the interstellar medium (ISM) are strong tracers of star formation and are some of the main targets of line intensity mapping (LIM) surveys. In this work we present an empirical multi-line emission model that simultaneously covers the mean, scatter, and correlations of [CII], CO J=1-0 to J=5-4, and [CI] lines in redshift range $1\leq z\leq9$. We assume the galaxy ISM line emission luminosity versus halo mass relations can be described by double power laws with redshift-dependent log normal scatter. The model parameters are then derived by fitting to the state of the art semi-analytic simulation results that have successfully reproduced multiple sub-millimeter line observations at $0\leq z\lesssim6$. We cross check the line emission statistics predicted by the semi-analytic simulation and our empirical model, finding that at $z\geq1$ our model reproduces the simulated line intensities with fractional error less than about 10%. The fractional difference is less than 25% for the power spectra. Grounded on physically-motivated and self-consistent galaxy simulations, this computationally efficient model will be helpful in forecasting ISM emission line statistics for upcoming LIM surveys.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移宇宙時代にわたり、複数ラインのサブミリ波長放出を物理的に根拠を持たせ、計算的に効率的なモデルを開発すること。
• 1 ≤ z ≤ 9 の赤方偏移範囲で、[C II]、CO、[C I] ラインの平均発光度、散らばり、相関を同時に予測すること。
• 低赤方偏移観測を再現する最新の半アナリティカルシミュレーションを用いて、モデルをキャリブレーションすること。
• 近い将来の高解像度調査のための線強度マッピング（LIM）調査結果の正確な予測を可能にすること。
• LIMにおける誤検出ラインや汚染の課題に対処するため、自己備わった複数ラインフレームワークを提供すること。

提案手法

• モデルは、ライン発光度とダークマター・ハロー質量との間で二重べき乗則的関係を仮定し、赤方偏移に依存する正規化と対数正規分布の散らばりを含む。
• モデルのパラメータは、z ≤ 6 での観測されたライン強度を正確に再現するサブミリ波長半アナリティカルモデル（sub-mm SAM）の結果にフィットさせた。
• モデルは発光度–ハロー質量関係の赤方偏移に伴う進化を組み込み、散らばりは対数正規分布を用いて扱う。
• 異なるライン発光度の相関は、シミュレーションに基づくキャリブレーションにおける発光度の連合分布から導出される。
• モデルは、赤方偏移範囲全体でシミュレーションされたライン強度およびパワー スペクトルと比較され、誤差指標が評価された。
• LIM調査実験の予測に使用するため、スケーラブルで効率的なフレームワークとして設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一的で物理的根拠を持つモデルは、1 ≤ z ≤ 9 の範囲で、[C II]、CO、[C I] 発光の平均値、散らばり、相関をどのように予測できるか？
• RQ2 このモデルは、高精度の銀河シミュレーションからのシミュレートされたライン強度およびパワー スペクトルをどの程度正確に再現するか？
• RQ3 予測されたライン相関（例：[C II]–CO、CO–[C I]）は、EGGのような独立したシミュレーションと比較してどう異なるか？
• RQ4 高赤方偏移銀河の性質（例：コンパクト性、高いSFR表面密度）は、予測されたライン発光および相関にどのような影響を与えるか？
• RQ5 誤検出ラインの混在を考慮しても、このモデルは近い将来の線強度マッピング調査の信頼できる予測ツールとして機能できるか？

主な発見

• モデルは、1 ≤ z ≤ 9 の範囲で、シミュレーションされたライン強度を10%未満の分数誤差で再現した。
• 予測されたパワー スペクトルは、シミュレーション結果と比較して25%未満の分数差異を示した。
• z ≳ 4 で、高密度分子雲内のイオン化度の上昇により、CO–[C I] 相関が低下し、発光が弱まり、場合によっては逆相関となる可能性があると予測された。
• EGG シミュレーションと比較して、モデルは [C II]–CO および [C II]–[C I] の相関係数を高く予測したが、これは仮定された分子雲性質の違いと、イオン化ガスのモデリングの欠如による可能性がある。
• モデルは、z ≤ 6 での [C II]、CO、[C I] の観測されたスケーリング関係を正確に再現し、現在の観測と一致するキャリブレーションの妥当性を裏付けた。
• 個々の銀河や中心/衛星銀河の区別を解像しないが、計算的に効率的で、線強度マッピング調査の予測に適している。