[論文レビュー] CO lines in high redshift galaxies: perspective for future mm instruments

F. Combes, Maoli, R.+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、赤方偏移 z > 2 の高赤方偏移銀河でCO線放射をモデル化し、将来のミリ波・サブミリ波望遠鏡による検出可能性を予測する。初期の検出結果に基づく経験的制約を用いて、全回転CO遷移の放射度を推定し、高励起状態による高J線（J ≥ 6）が検出可能性を向上させることを示す。一方で、ダスト連続放射は依然としてより高い輝度を示す。本研究は、ALMA や Herschel といった将来の観測施設の予測を提供する。

ABSTRACT

Nearly 10 high redshift (z>2) starburst galaxies have recently been detected in the CO lines, revealing the early presence in the universe of objects with large amounts of already-enriched molecular gas. The latter has sufficient density to be excited in the high-level rotational CO lines, which yield more flux, making easier high-redshift detections; however the effect is not as strong as for the sub-millimeter and far-infrared dust continuum emission. With the help of simple galaxy models, based on these first detections, we estimate the flux in all CO lines expected for such starbursting objects at various redshifts. We discuss the detection perspectives with the future millimeter instruments.

研究の動機と目的

• 次世代ミリ波帯望遠鏡を用いた高赤方偏移（z > 2）星形成銀河におけるCO線放射の検出可能性を評価すること。
• 初期の高赤方偏移検出結果の観測特性に基づき、CO回転遷移（J まで 10）の輝度および放射度をモデル化すること。
• これらのシステムにおけるCO線放射とサブミリ波帯ダスト連続放射の検出可能性を比較すること。
• ALMA や Herschel といった次世代ミリ波・サブミリ波望遠鏡を用いた将来の観測キャンペーンの予測を提供すること。
• 低全輝度にもかかわらず、高J CO線励起状態が検出可能性に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 最初に発見された10個の高赤方偏移星形成銀河（z > 2）の物理的性質に基づいて、シンプルな銀河モデルを構築する。
• 観測されたCO線輝度とガス励起状態を用いて、全回転遷移（J = 1–10）の放射度を外挿する。
• 放射線輸送モデルを適用し、臨界密度および臨界輝度閾値を考慮して、各CO遷移の輝度温度と線放射度を推定する。
• 積分時間およびビームサイズの推定値を用いて、ALMA や Herschel などの将来の機器の期待感度と予測されたCO線放射度を比較する。
• 特に高J線に対して、ビーム拡散および赤方偏移の時間的変化が検出可能性に与える影響を検討する。
• 信号対雑音比のバンド比較を通じて、CO線放射と遠赤外・サブミリ波帯ダスト連続放射の相対的検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移星形成銀河（z > 2）におけるCO回転線（J = 1 から 10）の予想される放射度レベルは何か？
• RQ2 特に高J遷移のCO線励起状態は、将来のミリ波・サブミリ波機器による検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 これらの銀河におけるCO線放射度は、遠赤外帯およびサブミリ波帯ダスト連続放射と比べてどの程度の強度か？
• RQ4 ALMA などの将来の望遠鏡でCO線を検出する最適な赤方偏移と遷移の組み合わせは何か？
• RQ5 ビーム拡散および機器感度の制限が、高赤方偏移源における高J CO線の検出をどの程度制限するか？

主な発見

• 高J CO遷移（J ≥ 6）は、より高い励起状態のおかげで低J線よりも顕著に高い放射度を示し、全輝度が低いにもかかわらず検出可能性が向上する。
• J = 6–10 の予測CO線放射度は、z ≈ 3–6 の赤方偏移でALMA や Herschel によって検出可能であることが示され、特にコンパクトで高表面輝度の源では顕著である。
• CO(6–5) および CO(7–6) 線は、高励起状態とミリ波帯・サブミリ波帯窓内の好都合な周波数配置の両方のおかげで、検出に最も有望であると予想される。
• CO線放射は検出可能であるが、サブミリ波帯ダスト連続放射は依然としてより高い輝度を示し、大多数のケースで検出が容易である。
• 本研究は、高感度および高空間分解能（例：ALMA）を備えた将来の機器が、高赤方偏移銀河におけるCOの系統的調査を可能にする予測を下している。
• モデルは、分子ガス質量が ≥ 10^10 M☉ で、高い星形成率を示す銀河ではCO線の検出が可能であると予測しており、観測された星形成銀河系と整合的である。