[論文レビュー] Cross-correlations between mm-wave line-intensity mapping and weak lensing surveys: preliminary consideration of long-term prospects

Dongwoo T. Chung|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ルービン宇宙望遠鏡LSSTの弱引力レンズ（WL）シアと、z=0.5–1におけるCO線のミリ波長帯線強度マッピング（LIM）の相互相関を予測し、将来のステージ3 LIM実験が、信号対雑音比50でクロスパワー スペクトルを検出可能であることを示している。これにより、宇宙の分子ガス密度と退化する天体物理学的パラメータに関する競争力のある制約が得られ、現在のパスファイナ LIMと初期の LSST データでも、2σのわずかな検出が可能である可能性がある。

ABSTRACT

The field of millimetre-wave line-intensity mapping (LIM) is seeing increased experimental activity with pathfinder surveys already deployed or deploying in the next few years, making spectroscopic measurements of unresolved atomic and molecular line emission tracing the large-scale structure of the Universe. The next decade will also see the Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) undertake a photometric galaxy survey programme of unprecedented scope, including measurements of cosmic shear exploiting weak gravitational lensing (WL) of background galaxies to map projected large-scale structure. We consider prospects for detecting angular cross power spectra between non-tomographic cosmic shear and mm-wave LIM surveys that measure emission from CO lines at $z=0.5$-$1$. We forecast that once the LSST Year 10 WL dataset is available, a future LIM experiment, conceivably deployed in the next 10-15 years, would enable such a cross-correlation detection with an overall signal-to-noise ratio of $50$, although the current pathfinder generation of CO/[C II] surveys are more likely to achieve a marginal $2\sigma$ detection against an earlier-stage LSST WL dataset. The signal has modest astrophysical constraining power yielding competitive constraints on cosmic molecular gas density at $z\lesssim1$, and degeneracies between astrophysical parameters and the intrinsic alignment amplitude mean that external information on either one could allow the cross-correlation analysis to significantly improve its constraints on the other.

研究の動機と目的

• LSST弱引力レンズ調査からの宇宙シア（非トモグラフィック）とミリ波帯CO線強度マッピング（LIM）の相互相関の検出可能性を評価する。
• 特に分子ガス密度と固有配列（IA）効果のパラメータに対して、その天体物理学的および宇宙論的制約力の程度を評価する。
• 特にz ≲ 1の領域において、LIMとWLが大規模構造を補完的に探査するための相乗効果を検討する。
• 将来のLIM実験の予備的予測を提供し、最適な観測窓とパラメータ空間を同定する。
• 共同解析による、天体物理学的パラメータとIA振幅のデゲネラシーを解消する可能性を強調する。

提案手法

• プランク2015パラメータを用いたΛCDM宇宙論を仮定し、LSST Y10に類似したデータからの非トモグラフィック宇宙シアと、z=0.5–1におけるミリ波帯CO線LIMとの間の角度的クロスパワー スペクトルをモデル化する。
• ハロ占有分布（HOD）モデルを用いて、COの輝度をダークマターのハロ質量に関連づけ、赤方偏移に依存するCOからH2への換算係数（αCO）を組み込む。
• Serraら（2016）のモデルを修正してLIMパワー スペクトルを計算し、解像度が低い銀河からの線放出と赤方偏移の進化を考慮する。
• フィッシャー行列形式を用いて、10,000 deg²の調査領域と現実的なノイズレベルを仮定し、相互相関検出の信号対雑音比（S/N）を予測する。
• 形状雑音、ショットノイズ、宇宙分散の寄与を含め、固有配列（IA）振幅を含む余計なパラメータをマージナル化する。
• フィッシャー行列の射影を用いて、CO–IR輝度関係やρH2（分子ガス密度）といった主要な天体物理学的パラメータの制約力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=0.5–1におけるミリ波帯CO LIMとLSST宇宙シアの相互相関の期待される信号対雑音比はどの程度か？
• RQ2 この相互相関によって制約可能な天体物理学的パラメータは何か？ 他の既存のプローブと比較してどの程度競争力があるか？
• RQ3 CO–IR輝度関係などの天体物理学的パラメータと固有配列（IA）振幅の間のデゲネラシーは、推論にどのように影響するか？
• RQ4 現在のパスファイナ LIM実験（例：COMAP, COPSS）と将来のステージ3 LIM調査の両者において、相互相関の検出可能性はどの程度か？
• RQ5 赤方偏移チャンネルごとの相互相関信号はどのように変化するか？ トモグラフィー拡張の可能性は？

主な発見

• 将来のミリ波帯ステージ3 LIM実験は、LSST10年目データの弱引力レンズとCO線の相互相関を、信号対雑音比50で検出可能である。
• 現在のパスファイナ LIM実験（例：COMAP, COPSS）は、初期のLSST弱引力レンズデータに対しては、わずかな2σ検出にとどまる見込みである。
• 相互相関は、z≲1における宇宙の分子ガス密度ρH2に対して、他の既存のプローブと同等の競争力のある制約を与える。
• 他のパラメータをマージナル化した場合、CO–IR輝度関係および固有配列（IA）振幅の制約力はやや弱いが、一定の制約が得られる。
• 天体物理学的パラメータとIA振幅の間に強いデゲネラシーが存在するため、一方のパラメータに外部の事前分布を与えることで、他方の制約が著しく改善される可能性がある。
• ステージ3 LIM実験では、個々の周波数チャンネルにおいても予測されるS/Nが5σを超えるため、検出の統計的信頼性は非常に高い。