[論文レビュー] MESMER: MeerKAT Search for Molecules in the Epoch of Reionization

Ian Heywood, R. P. Armstrong+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

MESMERは、メルカットの高周波数受信機を用いた深さと広域の調査を提案し、再電離時代に相当するz ≈ 7–10の銀河における12CO(J=1→0)線を検出する。電波のcm波帯を活用することで、再電離時代にアクセス可能となる。シミュレーションでは6,500時間の観測で約400件の検出が予測され、高赤方偏移における分子ガス研究のための実現可能性が示され、ソース検出およびスターミング検証が可能となる。

ABSTRACT

[Abridged] Observations of molecular gas at all redshifts are critical for measuring the cosmic evolution in molecular gas density and understanding the star-formation history of the Universe. The 12CO molecule (J=1-0 transition = 115.27 GHz) is the best proxy for extragalactic H2, which is the gas reservoir from which star formation occurs, and has been detected out to z~6. Typically, redshifted high-J lines are observed at mm-wavelengths, the most commonly targeted systems exhibiting high SFRs (e.g. submm galaxies), and far-IR-bright QSOs. While the most luminous objects are the most readily observed, detections of more typical galaxies with modest SFRs are essential for completing the picture. ALMA will be revolutionary in terms of increasing the detection rate and pushing the sensitivity limit down to include such galaxies, however the limited FoV when observing at such high frequencies makes it difficult to use ALMA for studies of the large-scale structure traced out by molecular gas in galaxies. This article introduces a strategy for a systematic search for molecular gas during the EoR (z~7 and above), capitalizing on the fact that the J=1-0 transition of 12CO enters the upper bands of cm-wave instruments at high-z. The FoV advantage gained by observing at such frequencies, coupled with modern broadband correlators allows significant cosmological volumes to be probed on reasonable timescales. In this article we present an overview of our future observing programme which has been awarded 6,500 hours as one of the Large Survey Projects for MeerKAT, the forthcoming South African SKA pathfinder instrument. Its large FoV and correlator bandwidth, and high-sensitivity provide unprecedented survey speed for such work. An existing astrophysical simulation is coupled with instrumental considerations to demonstrate the feasibility of such observations and predict detection rates.

研究の動機と目的

• 再電離時代（z ≈ 7–10）における典型的な星形成銀河における分子ガスを体系的に検出すること。このときCO(1→0)線はcm波帯に赤方偏移する。
• ALMAのようなミリ波帯干渉計の限界を克服するため、メルカットの広視野と高感度を活用し、大規模な調査を実現すること。
• S3-SAX天体物理シミュレーションとMeqTreesソフトウェアを用いた、完全な干渉計シミュレーションを通じて、機器性能と検出能力を検証すること。
• 同時にz ≈ 5.1–7.5におけるHCN/HCO+とz ≈ 0.5–1.2におけるH2Oメーザーの並行調査を可能とし、多ライン科学の成果を向上させること。
• 将来の機器や調査に適した、ノイズ、天体モデル、主ビーム効果を含む干渉計データのシミュレーションフレームワークを確立すること。

提案手法

• S3-SAX天体物理シミュレーションを用い、2 GHz帯域（12.5–14.5 GHz）で480時間の1点指向観測をシミュレート。z ≈ 7の約10,000個の銀河からのCO(1→0)放射を含む。
• MeqTreesパッケージを用いて、熱雑音や主ビーム応答などの機器効果を組み込んだ天体モデルから可視性を生成する。
• シミュレートされたデータを、可視性生成、lwimager（CASAREST）による画像化、およびオプションのデコンボリューションと主ビーム補正を含む完全なパイプラインで処理する。
• 0.3 TBのシミュレート可視性データから、17 GBの4096×4096×256ピクセルのデータキューブを生成し、検出とソース検出のテストを可能にする。
• 信号対雑音比の向上とデータ量の削減を図りながらスペクトル構造を保持するため、2:1のチャンネル平均化を適用する。
• スペクトルキューブの可視化に「キューブ・ヘリックス」カラーマップを用い、シミュレートされた2つの銀河のペアでz = 7.02で明確なCO(1→0)検出が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10–14.5 GHz帯に赤方偏移する12CO(J=1→0)線が、メルカットのようなcm波帯機器でz ≈ 7–10の銀河から検出可能かどうか。
• RQ2 深さと広視野のメルカット観測を用いた場合、再電離時代の典型的な星形成銀河における分子ガスの予想検出率はどの程度か。
• RQ3 複雑なノイズと天体特性を持つ、メルカット規模の現実的なデータセットに対して、現在のソース検出およびスターミングアルゴリズムの有効性はいかが。
• RQ4 完全な機器モデリングを含む干渉計シミュレーションは、将来の調査（例：MESMER）の科学的成果をどの程度正確に予測できるか。
• RQ5 同じシミュレーションフレームワークを、他のスペクトル線（例：HCN、H2Oメーザー）や連続スペクトル調査に、同じ観測窓内に応用可能かどうか。

主な発見

• 6,500時間のMESMER調査期間中に、6.95 ≤ z ≤ 9.98の銀河における12CO(J=1→0)線の検出が約400件予測される。
• z = 7.02のシミュレートされた2つの銀河ペアで、明確なCO(1→0)放射の検出が確認され、7周波数チャンネルにわたって明確なスペクトル構造が観測された。
• 可視性生成、画像化、データキューブ生成を含む完全なシミュレーションパイプラインは、MeqTreesとシェル/Pythonスクリプトを用いて完全に自動化され、スケーラブルである。
• シミュレートされたデータキューブのサイズは17 GB（4096×4096×256ピクセル）、処理中に生成された中間可視性データは0.3 TBであった。
• このフレームワークにより、メルカット観測に類似した高ダイナミックレンジの現実的データセットを用いた、ソース検出およびスターミングコードの堅牢なテストが可能である。
• このシミュレーション手法は他の干渉計に一般化可能であり、正確な主ビームなどの複雑な機器効果を低レベルコードの変更なしに組み込むことができる。