[論文レビュー] Next Generation Very Large Array Memo No. 8 Science Working Group 3: Galaxy Assembly through Cosmic Time

Caitlin M. Casey, Jacqueline Hodge+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

ngVLAは、宇宙の歴史にわたり、冷たい分子ガス（例：CO、HCN）およびダスト放射を感度よく、広帯域で検出可能にし、画角分解能と偏光の正確性が飛躍的に向上することで、高赤方偏移銀河の進化研究を革命的に変える。数千もの高赤方偏移CO(1-0)発光体を検出し、空領域調査を変容させ、遠方銀河およびAGNの詳細な動力学的・形態的分析を可能にする。

ABSTRACT

The Next-Generation Very Large Array (ngVLA) will be critical for understanding how galaxies are built and evolve at the earliest epochs. The sensitivity and frequency coverage will allow for the detection of cold gas and dust in `normal' distant galaxies, including the low-J transitions of molecular gas tracers such as CO, HNC, and HCO+; synchrotron and free-free continuum emission; and even the exciting possibility of thermal dust emission at the highest (z~7) redshifts. In particular, by enabling the total molecular gas reservoirs to be traced to unprecedented sensitivities across a huge range of epochs simultaneously -- something no other radio or submillimeter facility will be capable of -- the detection of the crucial low-J transitions of CO in a diverse body of galaxies will be the cornerstone of ngVLA's contribution to high-redshift galaxy evolution science. The ultra-wide bandwidths will allow a complete sampling of radio SEDs, as well as the detection of emission lines necessary for spectroscopic confirmation of elusive dusty starbursts. The ngVLA will also deliver unique contributions to our understanding of cosmic magnetism and to science accessible through microwave polarimetry. Finally, the superb angular resolution will move the field beyond detection experiments and allow detailed studies of the morphology and dynamics of these systems, including dynamical modeling of disks/mergers, determining the properties of outflows, measuring black hole masses from gas disks, and resolving multiple AGN nuclei. We explore the contribution of a ngVLA to these areas and more, as well as synergies with current and upcoming facilities including ALMA, SKA, large single-dish submillimeter observatories, GMT/TMT, and JWST.

研究の動機と目的

• 赤方偏移範囲z ~ 1–7の広い範囲で、「通常の」遠方銀河における冷たい分子ガスおよびダスト放射の検出を可能にすること。特に低J CO遷移を対象とする。
• 現在の赤方偏移測定および源検出の限界を克服し、ブラインド調査に向けた超広帯域および高感度を提供すること。
• 合体、吹き出し、ブラックホール質量を含む高赤方偏移系の詳細な運動論的および形態的分析を通じて、銀河の構築過程を研究すること。
• センチメートル波長帯での偏光および連続スペクトル放射を用いて、宇宙の磁場およびAGNフィードバックを調べること。
• JWST、ALMA、SKA、GMT/TMTといった今後の施設と連携し、銀河進化の多波長的理解を築くこと。

提案手法

• ngVLAの1–115 GHzの周波数範囲と300 kmの基線長を活用し、z ~ 1からz ~ 7の範囲で赤方偏移した低J CO、HCN、HNC、HCO+線を観測すること。
• 最大30 GHzの超広帯域インスタントンスバンド幅を活用し、広い赤方偏移範囲にわたり複数のスペクトル線を同時に観測し、効率的なブラインド調査を可能にすること。
• 最高で0.1″の高画角分解能を用いて、高赤方偏移銀河における運動論的構造、ガス円盤、吹き出し、複数のAGN核を解像すること。
• ストークスQ、U、Vにおける漏れが0.1%未満の高精度偏光測定を活用し、ダスト偏光、シンクロtron放射、ゼーマン効果を通じて磁場をマッピングすること。
• 自由自由放射、シンクロtron放射、熱的ダスト放射の連続スペクトル測定を統合し、ダスト減光に依存しない星形成およびAGN活動の追跡を可能にすること。
• シミュレーションとモデル化を用いて、宇宙の歴史にわたりCO(1-0)および他の線の検出効率と感度限界を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ngVLAによるブラインド調査で、どの程度の高赤方偏移銀河（z ~ 1–7）がCO(1-0)で検出可能であり、宇宙の歴史にわたり予想される検出数はどの程度か？
• RQ2 ngVLAは、高赤方偏移銀河における分子ガスの運動論的構造、円盤の回転、合体、吹き出しをどの程度解像可能か？
• RQ3 ngVLAは、z ~ 7の銀河からの熱的ダスト放射を検出可能か？ これは初期の星形成およびダスト含有量をどのように明らかにするか？
• RQ4 ngVLAの偏光測定は、宇宙の磁場およびAGN・星形成バーストフィードバックの性質をどの程度制限可能か？
• RQ5 広帯域線調査を通じて、ダストに覆われた星形成バーストおよび弱い電波AGNの分光学的確認において、ngVLAが果たす役割は何か？

主な発見

• ngVLAにより、高赤方偏移CO(1-0)発光体の検出数は数個から数千にまで増加し、ブラインド調査がレアから日常的になる。
• JVLAに比べ10倍の感度と3倍の帯域幅を備えることで、電波スペクトルエネルギー分布（SED）の完全なサンプリングと、広い赤方偏移範囲にわたる複数スペクトル線の同時検出が可能になる。
• ngVLAの0.1″分解能により、ガス円盤の詳細な運動論的モデリング、ブラックホール質量の測定、合体系における複数のAGN核の解像が可能になる。
• ngVLAは、z ~ 7での熱的ダスト放射を検出可能であり、最初の銀河における初期のダスト含有量と星形成を直接的に探査できる。
• ストークスQ、U、Vにおける偏光純度0.1%が、ダストおよびシンクロtron放射を通じた磁場マッピングを高精度で可能にし、宇宙磁場理解に不可欠である。
• ngVLAの25 mアンテナは、12 mアンテナと同等の受光面積で比較して、視野を約4.5倍に拡大でき、同等の集光面積で1500個の銀河（z ~ 2.5–9.5）を700時間でモザイキング可能となる。