[論文レビュー] Prospects for Observing the Cosmic Web in Lyman-α Emission

Joris Witstok, Ewald Puchwein+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、大規模構造のフィラメントにおける銀河間媒体からのライマン-α線源を、宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いてモデル化した。その結果、低密度域では再結合による発光が支配的であり、高密度域では衝突励起が主因であることが判明した。フィラメント状ガスの直接検出には、将来のELT/MUSEに類似した機器を用いて、極めて長い露出が必要であり、高赤方偏移の原始クランスターよりも検出の可能性が高くなる。

ABSTRACT

Mapping the intergalactic medium (IGM) in Lyman-α emission would yield unprecedented tomographic information on the large- scale distribution of baryons and potentially provide new constraints on the UV background and various feedback processes relevant to galaxy formation. Here, we use a cosmological hydrodynamical simulation to examine the Lyman-α emission of the IGM due to collisional excitations and recombinations in the presence of a UV background. We focus on gas in large-scale-structure filaments in which Lyman-α radiative transfer effects are expected to be moderate. At low density the emission is primarily due to fluorescent re-emission of the ionising UV background due to recombinations, while collisional excitations dominate at higher densities. We discuss prospects of current and future observational facilities to detect this emission and find that the emission of filaments of the cosmic web will typically be dominated by the halos and galaxies embedded in them, rather than by the lower density filament gas outside halos. Detecting filament gas directly would require a very long exposure with a MUSE-like instrument on the ELT. Our most robust predictions that act as lower limits indicate this would be slightly less challenging at lower redshifts (z 􏰄 4). We also find that there is a large amount of variance between fields in our mock observations. High-redshift protoclusters appear to be the most promising environment to observe the filamentary IGM in Lyman-α emission.

研究の動機と目的

• 大規模構造フィラメント内の銀河間媒体からのライマン-α発光の観測可能性を評価すること。
• 低密度および高密度のIGM領域におけるライマン-α発光を支配する物理的メカニズムを特定すること。
• 現在および将来の観測施設のフィラメント状IGM発光の検出可能性を評価すること。
• フィラメント状ガス発光が、銀河やハローからの汚染物質に埋もれにくくなるような環境を特定すること。

提案手法

• 大規模構造フィラメント内の銀河間媒体の物理的状態をモデル化するために、宇宙論的流体力学的シミュレーションが用いられた。
• 紫外背景放射の存在下で、衝突励起および再結合に起因するライマン-α発光を計算するために、放射輸送計算が適用された。
• MUSEに類似したスペクトル分解能および感度を想定し、ビームのぼやけやノイズを考慮した観測の模擬を生成した。
• 検出可能性を評価するために、ハロー外のフィラメントガスと、埋め込まれた銀河・ハローからの寄与を発光成分ごとに分解した。
• 異なるフィールド間の分散を統計的に分析し、検出可能な信号のフィールドごとの変動を評価した。
• 特にz ≲ 4の範囲で赤方偏移依存の比較を行い、宇宙時間に伴う観測の難易度の変化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙網フィラメントの低密度領域と高密度領域におけるライマン-α発光を支配する物理的プロセスは何か？
• RQ2 紫外背景放射が、再結合と衝突励起の両者が寄与するライマン-α発光に与える影響は何か？
• RQ3 現在および将来の観測において、フィラメント状ガス発光が、埋め込まれた銀河やハローからの光に押しのけられる程度はどの程度か？
• RQ4 フィラメント状ガスからの微弱なライマン-α発光を検出するために、どの程度の露出時間と機器性能が必要か？
• RQ5 高赤方偏移の原始クランスターやその他の天体的環境では、フィラメント状IGM発光が最も観測可能になるのはどこか？

主な発見

• 低密度域では、紫外背景放射によって励起された電離水素の再結合に起因する蛍光的再発光が、フィラメント内のライマン-α発光の主因である。
• 高密度域では、衝突励起が再結合に起因する発光を上回り、ライマン-α発光の主要因となる。
• ハロー外のフィラメントガスからの発光は、通常、埋め込まれた銀河やハローからの光に飲み込まれており、直接検出は極めて困難である。
• フィラメントガスを直接検出するには、極超望遠鏡（ELT）に搭載されたMUSEに類似した機器を用いて、数時間にのぼる露出が必要となる。
• 赤方偏移が低い（z ≲ 4）環境では、背景分散が低く、紫外背景放射の強度も小さいため、検出にやや有利な条件となる。
• 高赤方偏移の原始クランスターよりも、フィラメント状IGM発光が最も観測可能になる環境として浮上している。これは、対比が高く、フィールド間分散が小さいからである。