[論文レビュー] Synergies between the COMAP CO Line Intensity Mapping mission and a Lyα galaxy survey: How to probe the early universe with voxel based analysis of observational data

Marta B. Silva, Bernhard Baumschlager+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、COMAP CO線強度マッピングデータとHETDEX Lyα銀河調査を統合したボクセルベースの解析を提案し、高赤方偏移における分子ガスの検出と解釈を向上させる。銀河調査データを活用してマスキング、スターリング、CO放射の解釈を行うことで、CO(1-0)の検出感度が2–3倍向上し、赤方偏移に応じたCOの進化を解明可能となり、z∼6におけるCO(2-1)放射に対して6σの上限を0.05 μKまで低下させることが可能となった。

ABSTRACT

Line Intensity Mapping (LIM) offers a novel avenue to observe and characterize our universe. LIM data of CO spectral lines are becoming available, such as those obtained by the CO Mapping Array Project (COMAP). COMAP data can be used to probe the molecular gas content of the universe from the last stages of the Epoch of Reionization (EoR) ($z < 8.0$) to $z \sim 2.5$. In this work, we examine the prospects for deriving voxel-level statistical constraints on high-redshift galaxies from COMAP data by considering the additional information available from observations of LAEs galaxies using the Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS) on the Hobby-Eberly Telescope (HET). We post-process the IllustrisTNG300 galaxy-formation simulation with a set of prescriptions to consistently determine CO and Ly$α$ line luminosities. The different line prescriptions span the uncertainty in the CO line luminosity according to current observations by the VLA high-z CO surveys and set the Ly$α$ emission to be compatible with observational LAE luminosity functions. We produce mock observations for the two surveys over a $(300\, { m Mpc})^3$ volume. These are then used to formulate and test methodologies for data analysis and to predict COMAP constraints on CO emission. We use combinations of masking, stacking, voxel intensity distribution (VID), and other statistics. We find that in combination with VIRUS/HET, a voxel-level analysis of the COMAP Pathfinder survey can detect and characterize the CO signal from $z\sim3$ and improve current constraints on the $z\sim6$ signal, identify individual voxels with bright CO(1-0) emission at $z\sim3$ and probe the redshift evolution of the CO emission. This study illustrates the potential of synergies between LIM and galaxy surveys both to improve the significance of a detection and to aid the interpretation of noisy LIM data.

研究の動機と目的

• 線強度マッピング（LIM）と銀河調査を組み合わせることで、偏りのある銀河調査の限界を克服し、高赤方偏移における分子ガスの偏りのない広域観測を実現すること。
• LIMデータの低SN比という課題に対処するため、外部の銀河カタログを活用して検出感度と解釈可能性を向上させること。
• CO放射とLyα発光銀河（LAEs）の空間相関を活用することで、高赤方偏移における宇宙論的制約を可能とすること。特にほこりが多くガスに富んだ系において有効である。
• COMAPとHETDEXの協調に特化したデータ解析手法（マスキング、スターリング、ボクセル強度分布（VID）解析など）の開発と検証を行うこと。
• 初期の銀河における星間媒体の性質を制約するために、z∼6におけるCO(2-1)放射に対して競争力のある上限を提供すること。

提案手法

• VLAおよびALMAからの観測制約とほこりの減光を考慮した物理的パラメータを適用し、IllustrisTNG300シミュレーションを後処理することで、同時にCO(1-0)とLyαの輝度をモデル化する。
• 300³ Mpc³の体積にわたる、赤方偏移z∼2.5からz∼8をカバーするCOMAP COマップとHETDEX LAEカタログの整合的モック観測を生成する。
• HETDEX LAEカタログと併用して、ボクセルベースの統計的手法（マスキング、スターリング、ボクセル強度分布（VID）解析）を用いてCOMAPデータを分析する。
• HETDEXデータを用いて信号優勢のボクセル（例：z∼3における明るいCO(1-0)放射）を特定し、CO(1-0)放射をマスキングすることで、残りのCO(2-1)信号に対する高精度な上限を設定する。
• LAE調査のフィルファクターと重複度を変化させることで、高密度銀河カタログによる感度向上の影響を評価する。
• LAEが豊富な領域とLAEが乏しい領域におけるVID統計を比較し、特にクラスタスケールでCO放射とLAEの空間相関を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COMAP CO強度マッピングとHETDEX Lyα銀河調査を統合することで、z∼3–6におけるCO(1-0)検出感度と有意水準が向上するか？
• RQ2 HETDEX LAEカタログを用いてCO(1-0)放射をマスキングし、z∼6におけるCO(2-1)放射に対して競争力のある上限を設定できるか、その程度はいかほどか？
• RQ3 COMAPボクセルスケールにおけるCOとLyα放射の空間分布はどの程度相関しているか？特にほこりの含有量や銀河進化に関する情報は何か？
• RQ4 HETDEXを用いてインフォームドされたボクセルレベルのCOMAPデータ解析により、2<z<8の範囲でCO放射の赤方偏移に伴う進化を解明できるか？
• RQ5 この協調的手法により、z∼3における明るくガスに富んだクラスタでCO線の等価幅とライン幅にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• COMAPとHETDEXの協調により、初期のCO(1-0)検出感度が2–3倍向上し、信号対雑音比が顕著に向上した。
• z∼6におけるCO(2-1)放射に対して6σの上限が3つのCOMAPフィールドで達成可能であり（1つのフィールドでは3σ）、感度は約0.05 μKまで達し、将来のEoR調査と同等の性能を示した。
• z∼3におけるガスに富んだ銀河からの明るいCO(1-0)放射を持つ数百の個別ボクセルを特定可能であり、これは光学的／UV調査で一般的に見られるほこりによるバイアスのない統計的サンプルを提供する。
• データを赤方偏移チャンクに分割することで、2<z<8の範囲でCO放射の赤方偏移に伴う進化を赤方偏移に応じて解明可能となった。
• VID解析により、LAEが豊富な領域とLAEが乏しい領域で統計的差が明確に検出され、クラスタスケールでCO放射とLAEの空間相関が示された。
• データの統合により、明るいクラスタにおけるCOライン幅および等価幅の解析が可能となり、高赤方偏移銀河におけるガスの乱流および星間媒体状態に関する制約が得られた。