[論文レビュー] Mapping Large-Scale-Structure Evolution over Cosmic Times

Marta B. Silva, Ely D. Kovetz+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 87被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、宇宙の歴史にわたる[CII]およびCOの発光線の線強度マッピング（LIM）を用いて大規模構造をマップすることを目的とした宇宙空間でのミッションを提案している。100–2000 GHzの周波数帯域をカバーするこのミッションにより、高感度で広域にわたるトモグラフィック調査が可能となり、宇宙論的パラメータ、星形成歴、銀河進化に関する競争力のある制約が得られる。特に再電離時代における[CII]の信号対雑音比（SNR）は10以上、低JのCO線では約50に達する。

ABSTRACT

This paper outlines the science case for line-intensity mapping with a space-borne instrument targeting the sub-millimeter (microwaves) to the far-infrared (FIR) wavelength range. Our goal is to observe and characterize the large-scale structure in the Universe from present times to the high redshift Epoch of Reionization. This is essential to constrain the cosmology of our Universe and form a better understanding of various mechanisms that drive galaxy formation and evolution. We argue that the proposed frequency range would make it possible to probe important metal cooling lines such as [CII] up to very high redshift as well as a large number of rotational lines of the CO molecule. These can be used to trace molecular gas and dust evolution and constrain the buildup in both the cosmic star formation rate density and the cosmic infrared background (CIB). Moreover, surveys at the highest frequencies will detect FIR lines which are used as diagnostics of galaxies and AGN. Tomography of these lines over a wide redshift range will enable invaluable measurements of the cosmic expansion history at epochs inaccessible to other methods, competitive constraints on the parameters of the standard model of cosmology, and numerous tests of dark matter, dark energy, modified gravity and inflation. To reach these goals, large-scale structure must be mapped over a wide range in frequency to trace its time evolution over a reasonable fraction of the volume of the observable Universe. In addition, the surveyed area needs to be very large to beat cosmic variance and to probe the largest scales where its easier to separate the astrophysical and cosmological contributions to the observed signal. Only, a space-borne mission can properly meet these requirements.

研究の動機と目的

• z ≈ 3 から z ≈ 9 の間で、高感度で広域にわたるトモグラフィックな大規模構造マッピングを可能にすること。
• [CII]およびCOの線強度ゆらぎを用いて、宇宙の星形成歴および銀河進化を探る。
• ダークエネルギー、ダークマター、初期宇宙の非ガウス性といった、基本的な宇宙論的課題を制約すること。
• 地上望遠鏡の調査やCMB観測ではカバーできない、観測可能な宇宙のおよそ80％の領域にアクセスすることで、それらの限界を克服すること。
• COMAPおよびOSTといった既存および将来のLIMミッションとの間を埋める重要な橋渡しを果たし、サブミリメートル〜遠赤外線帯域のギャップをカバーすること。

提案手法

• 宇宙空間に搭載する100–2000 GHzの周波数帯域をカバーする機器を提案し、宇宙の歴史にわたって赤方偏移した[CII]およびCO回転線を観測する。
• 空間パワー スペクトルおよびクロス相関技術を用いて、大規模な調査から集団のクラスタリングおよび強度ゆらぎ信号を抽出する。
• トモグラフィー解析を用いて、赤方偏移関数としての線強度ゆらぎのマッピングを行い、宇宙の歴史の60％にわたる構造の進化を追跡する。
• 低解像度の要求で全天空カバレッジを実現し、宇宙のばらつきを最小限に抑える。
• 矮星銀河からGpcスケールの構造まで、さまざまなスケールで銀河の放射、ISM物理学、線の全光度関数をモデル化するマルチスケールのシミュレーションを統合する。
• 他の調査とのクロス相関および前景除去技術を用いて、宇宙論的に関係する信号を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空間に設置されたLIMミッションは、再電離時代（z ≈ 9）における[CII]強度マッピングでSNR > 10を達成できるか？
• RQ2 深宇宙空間調査において、低JのCO線（例：J=4–3）および高JのCO線で達成可能な信号対雑音比は何か？
• RQ3 LIMによる[CII]/CO比の測定は、現在の調査能力を超えて、ダストに包まれた星形成率密度の制約をどのように改善できるか？
• RQ4 LIMに基づくBAO測定は、3 < z < 9の範囲で宇宙の膨張歴をどの程度まで制約できるか。これにより、ハッブル緊張問題が緩和されるか？
• RQ5 LIM調査は、SNR ≲ 10でFIR発光線（例：[OIII]や[NII]）を検出・特徴づけられるか。これによりAGNおよび銀河フィードバックの研究が可能になるか？

主な発見

• 提案されたミッションは、再電離時代における[CII]強度マッピングでSNR > 10を達成し、宇宙の夜明け放射の明確な検出を可能にする。
• 低JのCO線（例：J=4–3）はSNR ≈ 50で測定可能であり、分子ガスの進化を高精度で追跡できる。
• 高JのCO線はSNR ≈ 10で検出可能であり、高赤方偏移における高密度で星形成が活発な領域の研究が可能になる。
• FIR診断線（例：[OIII]や[NII]）はSNR ≲ 10で検出可能であり、AGNおよび銀河フィードバック研究を支援する。
• LIMに基づくBAO測定により、赤方偏移範囲3 < z ≲ 9における宇宙の膨張歴を制約でき、局所的測定とCMB測定の間のギャップを埋める。
• このミッションにより、ΛCDMの拡張に関する競争力ある制約が得られ、初期非ガウス性のσ(fNL) < 1、ニュートリノ質量総和、有効な相対論的自由度が制限される。