[論文レビュー] Prospects for detecting CII emission during the Epoch of Reionization

Marta B. Silva, Mário G. Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、200–300 GHz帯におけるCII強度マッピングを用いて再電離時代（EoR）を調査することを提案している。赤方偏移 z ≈ 5.3–8.5 の範囲でCIIおよびCOの前景放射をシミュレーションし、CO発光銀河（z < 2.5、S/N > 5×10⁻²² W m⁻²）のマスキングにより、COの汚染（I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹）を低減できることが判明した。これにより、CII信号（I_CII ≈ 4×10² Jy sr⁻¹）の検出が可能となり、21 cmデータと相関をとることで再電離を独立に制約できる。

ABSTRACT

We produce simulations of emission of the atomic CII line in large sky fields in order to determine the current prospects for mapping this line during the high redshift Epoch of Reionization. We estimate the CII line intensity, redshift evolution and spatial fluctuations using observational relations between CII emission and the SFR in a galaxy for the frequency range of 200 GHz to 300 GHz. We obtained a frequency averaged intensity of CII emission of ${ m I_{ m CII}=(4 \pm 2) imes10^{2}\, Jy\, m sr^{-1}}$ in the redshift range $z\, \sim\, 5.3\, -\, 8.5$. Observations of CII emission in this frequency range will suffer contamination from emission lines at lower redshifts, in particular from the CO rotation lines. For the relevant frequency range we estimated the CO contamination (originated in emission from galaxies at $z\,

研究の動機と目的

• 再電離時代におけるCII放射の強度マッピング技術を用いた検出可能性を評価すること。
• CII観測におけるCO回転線およびその他の前景汚染を定量化し、低減する手法を検討すること。
• 銀河サーベイとマスキングを用いた前景除去戦略を構築し、CII信号を保持すること。
• CIIと21 cmマップの相関をとることで再電離を独立に制約する可能性を評価すること。
• 現在および将来の実験におけるCIIパワー スペクトルの期待値と検出可能性を推定すること。

提案手法

• CIIおよびCOの発光マップを、赤方偏移 z ≈ 5.3–8.5 の範囲で、CIIの全放射度と星形成率（SFR）との観測的関係を用いてシミュレーションする。
• 2つの独立した手法を用いる：(1) CO遷移放射度を有する現象論的銀河カタログ（SAX-Sky）、(2) IR放射度関数と観測的スケーリング関係を用いたCO強度推定。
• 光円錐効果と空間分解能をモデル化し、現実的な周波数および角度依存の強度マップを生成する。
• CO（I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹）および他の源（例：ダスト、自由自由放射、~10⁵ Jy sr⁻¹）による前景汚染を推定する。これらは周波数的に滑らかであるため、スペクトルフィッティングで除去可能である。
• CO(J:2–1)からCO(J:6–5)までのフラックスが 5×10⁻²² W m⁻² よりも大きい、またはABマグニチュード m_K < 22 の銀河を対象としたマスキング戦略を提案する。
• CIIとCOライン間の相関技術を評価し、残存する前景を推定・除去する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離時代（z ≈ 5.3–8.5）におけるCII放射の期待される強度および空間パワー スペクトルは何か？
• RQ2 200–300 GHz帯におけるCII強度マッピングにおいて、CO回転線放射はどの程度の大きさの前景汚染をもたらすか？
• RQ3 明るいCO発光銀河のマスキングは、CII信号を損なうことなく前景汚染を効果的に低減できるか？
• RQ4 CIIとCOマップの相関は、マスキングが不十分な場合でも、残存する前景をどの程度まで推定・除去できるか？
• RQ5 CII強度マッピングは、再電離プロセスを調査するうえで21 cm測定とどのように補完し合うか？

主な発見

• 赤方偏移 z ≈ 5.3–8.5 の範囲におけるCII平均強度は (4 ± 2) × 10² Jy sr⁻¹ と推定され、星形成率密度（SFRD）に応じて10²〜10³ Jy sr⁻¹ の範囲をとる。
• z < 2.5 の銀河からのCO放射は、I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹ の顕著な前景を占め、明るい源が主因である。
• COフラックスが 5×10⁻²² W m⁻² よりも大きい、またはABマグニチュード m_K < 22 の銀河をマスキングすることで、CO汚染を効果的に低減できる一方、CII信号は保持される。
• 連続スペクトルの前景（例：ダスト、自由自由放射）は約10⁵ Jy sr⁻¹ と推定されるが、周波数的に滑らかであるため、スペクトルフィッティングにより除去可能である。
• CIIとCO強度マップの相関をとることで、マスキングが不十分な場合でも残存する前景を推定・差し引くことが可能である。
• CIIと21 cm信号は強く反相関を示すと予想され、前景にほとんど影響されない強固な相関測定が可能となり、再電離を独立に探査するための有効な手法となる。