[論文レビュー] Evolution of the Milky Way in Semi-Analytic Models: Detecting Cold Gas at z=3 with ALMA and SKA

Danail Obreschkow, Ian Heywood+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、S3-SAX半解析的銀河モデルを用いて、z=3における天の川銀河の前身における冷たいガスの検出能力をALMAおよびSKAがどのように発揮するかを予測している。ALMAは24時間の観測で約50%の確率でCO(3–2)を検出可能であるが、SKAの高周波帯アレイはCO(1–0)を用いてほぼすべてのこのような銀河を検出可能であり、盲検出調査においてははるかに優れた性能を示す。一方、SKA-Lowでは個々の天の川類縁銀河のHI検出は現実的でない。

ABSTRACT

We forecast the abilities of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Square Kilometer Array (SKA) to detect CO and HI emission lines in galaxies at redshift z=3. A particular focus is set on Milky Way (MW) progenitors at z=3 for their detection within 24 h constitutes a key science goal of ALMA. The analysis relies on a semi-analytic model, which permits the construction of a MW progenitor sample by backtracking the cosmic history of all simulated present-day galaxies similar to the real MW. Results: (i) ALMA can best observe a MW at z=3 by looking at CO(3-2) emission. The probability of detecting a random model MW at 3-sigma in 24 h using 75 km/s channels is roughly 50%, and these odds can be increased by co-adding the CO(3-2) and CO(4-3) lines. These lines fall into ALMA band 3, which therefore represents the optimal choice towards MW detections at z=3. (ii) Higher CO transitions contained in the ALMA bands geq6 will be invisible, unless the considered MW progenitor coincidentally hosts a major starburst or an active black hole. (iii) The high-frequency array of SKA, fitted with 28.8 GHz receivers, would be a powerful instrument for observing CO(1-0) at z=3, able to detect nearly all simulated MWs in 24 h. (iv) HI detections in MWs at z=3 using the low-frequency array of SKA will be impossible in any reasonable observing time. (v) SKA will nonetheless be a supreme ha survey instrument through its enormous instantaneous field-of-view (FoV). A one year pointed HI survey with an assumed FoV of 410 sqdeg would reveal at least 10^5 galaxies at z=2.95-3.05. (vi) If the positions and redshifts of those galaxies are known from an optical/infrared spectroscopic survey, stacking allows the detection of HI at z=3 in less than 24 h.

研究の動機と目的

• ALMAおよびSKAを用いたz=3における天の川銀河の前身における冷たいガス（COおよびHI）の検出可能性を評価すること。
• ALMAの科学的目標、すなわち24時間以内にz=3の天の川に類縁する銀河におけるCOまたはCII線放出を検出可能かどうかを評価すること。
• 高赤方偏移銀河の標的調査と盲検出調査におけるALMAとSKAの性能を比較すること。
• 遠方銀河における分子ガスおよび原子ガスの検出に最適な観測帯域および戦略を特定すること。
• 将来の冷たいガス調査を宇宙論的シミュレーションと比較する統計的フレームワークを提供すること。

提案手法

• S3-SAX半解析的モデルは、z=3まで遡及して、HIおよびH2の宇宙的進化を銀河、特に天の川型システムを含めて再現する。
• 星形成史および金属量史に基づき、モデルからCOの輝度およびHI質量を導出する。
• ALMAおよびSKAの観測条件は、周波数帯、 beam サイズ、積分時間、感度曲線といった機器仕様を用いてモデル化する。
• 24時間積分における3σ有意水準での信号対雑音比（S/N）を用いて、検出確率を計算する。
• 源の位置および赤方偏移が事前に光学／赤外調査で分かっている場合のHI検出に向けたスタッキング技術の有効性を評価する。
• ALMAとSKAの感度を、異なる周波数帯および観測モード（例：SKA-HF、SKA-LF、SKA-MF）で比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALMAは24時間の観測でz=3における天の川銀河の前身からのCO(3–2)線放出を検出可能か？
• RQ2 ALMAとSKAのz=3におけるCOおよびHI線検出性能は、どのように比較されるか？
• RQ3 高赤方偏移天の川類縁銀河における冷たいガスの検出に最適な観測帯域および遷移状態は何か？
• RQ4 源の位置が既知の場合、スタッキング技術を用いてSKAでz=3における天の川銀河の前身からのHI検出が可能か？
• RQ5 SKA-Lowがz=3で盲検出HI調査で何個の銀河を検出可能か？また、ALMAのCO調査能力と比べてどうか？

主な発見

• ALMAは75 km s⁻¹チャンネルを用いて24時間積分で、z=3における天の川銀河の前身からのCO(3–2)線放出を約50%の確率で検出可能である。
• CO(3–2)とCO(4–3)の線を重ね合わせることで検出確率が向上し、ALMAのバンド3がz=3における天の川検出に最適である。
• より高いCO遷移（バンド6以上）は、星形成暴発銀河または活動銀河核を有さない限り、ALMAでは検出不能である。
• SKAの高周波帯アレイ（SKA-HF）は、1000倍の集光面積と広い視野を有するため、24時間積分でほぼすべてのシミュレートされた天の川銀河の前身をCO(1–0)で検出可能である。
• z=3における個々の天の川類縁銀河のHI検出はSKA-Lowでは現実的ではなく、3σ検出には40,000時間以上の積分時間が必要である。
• SKA-Lowの410 deg²の視野を用いた1年間のポイントソースHI調査では、z=2.95–3.05の範囲で少なくとも10⁵個の銀河を検出可能であり、これはALMAのCO調査能力をはるかに上回る。