[論文レビュー] CO line emission from Lyman Break Galaxies. Cosmological simulations and predictions for ALMA

T. R. Greve, Jesper Sommer‐Larsen|ArXiv.org|Aug 30, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いて、z~3 のサブ-L* ライマンブレイク銀河からのCOライン線放出を予測し、ALMAが動的質量を測定する際の検出可能性と信頼性を評価する。COラインプロファイルは超新星駆動フィードバックに対して頑健であるが、ALMAの検出は傾きに強く依存し、一般的な高赤方偏移銀河における正確な運動論的および質量測定を制限することが判明した。

ABSTRACT

[Abridged] The detection of the rotational lines of CO in proto-galaxies in the early Universe provides one of the most promising ways of probing the fundamental physical properties of a galaxy, such as its size, dynamical mass, gas density, and temperature. While such observations are currently limited to the most luminous galaxies, the advent of ALMA will change the situation dramatically, resulting in the detection of numerous normal galaxies at high redshifts. Maps and spectra of rotational CO line emission were calculated from a cosmological N-body/hydrodynamical TreeSPH simulation of a z ~ 3 "Lyman break galaxy'' of UV luminosity about one order of magnitude below L*. To simulate a typical observation of our system with ALMA, we imposed characteristic noise, angular, and spectral resolution constraints. The CO line properties predicted by our simulation are in good agreement with the two Lyman break systems detected in CO to date. We find that while supernovae explosions from the ongoing star formation carve out large cavities in the molecular ISM, they do not generate large enough gas outflows to make a substantial imprint on the CO line profile. This implies that for most proto-galaxies - except possibly the most extreme cases - stellar feedback effects do not affect CO as a dynamical mass tracer. Detecting CO in sub-L* galaxies at z ~3 will push ALMA to the limits of its cababilities, and whether a source is detected or not may depend critically on its inclination angle. Both these effects (sensitivity and inclination) will severely impair the ability of ALMA to infer the gas kinematics and dynamical masses using line observations.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションを用いて、z~3 のサブ-L* ライマンブレイク銀河からのCOライン線放出特性を予測すること。
• ALMAが典型的な高赤方偏移銀河におけるCOを検出可能な感度と分解能の限界を評価すること。
• 超新星フィードバックがCOラインプロファイルを顕著に歪め、COが動的質量 tracerとしての役割を果たせなくなるかどうかを評価すること。
• 傾き角度と観測分解能がCOに基づく動的質量推定の信頼性に与える影響を特定すること。
• 将来的なALMAによる高赤方偏移プロト銀河観測を解釈するための理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 星形成および超新星フィードバックを自己一貫したバリオン物理学を含む、宇宙論的N体／流体力学的TreeSPHコードを用いて、z~3 ライマンブレイク銀河の前身をシミュレートする。
• シミュレートされた分子ガス分布から、回転遷移（例：CO 3–2, 4–3）のCO強度マップおよびラインプロファイルを計算する。
• ALMAに類似した観測制約を適用：0.1''分解能、108 GHz周波数、24時間積算時間、実際の熱雑音（ALMA感度計算機からのrms）を想定する。
• 異なる視点角度に対して、ディスク式の公式（Bryant & Scoville 1996）を用いてCOライン幅と空間的広がりから動的質量推定を行う。
• 予測の妥当性を検証するため、2つの既知のz~3 LBG（cB58 および J2135）の観測値と、シミュレートされたCOラインプロファイルおよびラングミューリングを比較する。
• 傾きがCOライン幅、放射線量、検出可能性に与える影響を分析し、動的質量推定の誤差を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の感度と分解能を想定した場合、ALMAはz~3 のサブ-L* ライマンブレイク銀河からのCO放射をどの程度正確に検出できるか？
• RQ2 超新星フィードバックは、高赤方偏移銀河におけるCOラインプロファイルをどの程度歪め、COが動的質量 tracer としての役割を損なうか？
• RQ3 銀河の傾き角度が、ALMA観測におけるCO放射の検出可能性および測定された性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 シミュレートされたCOライン幅およびラングミューリングは、cB58 や J2135 のような既知のz~3 LBGの観測値とどの程度一致するか？
• RQ5 空間的およびスペクトル的分解能が限られている状況下でも、CO放射は高赤方偏移銀河における全ガス質量および動的質量を信頼性高く追跡できるか？

主な発見

• シミュレートされたz~3 LBGのCOラインプロファイルは、cB58 および J2135 の観測値と整合的であり、シミュレーションの予測能力が裏付けられた。
• 超新星フィードバックは分子ISMにキャビティを形成するが、COラインプロファイルに顕著な変化をもたらさないため、COは動的質量 tracer として頑健であることが示された。
• ALMAによるCO放射の検出は、銀河が正面から観測され、ピークの明るさにある場合にのみ4σレベルで可能であり、強い傾き依存性が顕著に現れた。
• 全COラングミューリングは、異なる傾きで30%未満の変動にとどまるため、COは視線角度に関係なく全ガス質量の信頼できる tracer であることが示された。
• 縁側から観測された系では、COライン幅からの動的質量推定は20%以内の精度で可能であるが、2つの合体成分が視線方向に重なった場合には誤差が50%にまで悪化した。
• ALMAによるz~3 のサブ-L* LBGのCO観測は、サイズやライン形状の正確な制約ができない検出のみに限られる可能性が高く、感度が不十分である。