[論文レビュー] The case for a 'sub-millimeter SDSS': a 3D map of galaxy evolution to z~10

J. E. Geach, M. Banerji+54 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、赤方偏移 z≈10 までのがんが進化する銀河の3次元マップを作成するために、熱的チリ放射および原子・分子線を検出することを目的とした大面積で高感度なミリ波帯分光測定調査—「ミリ波帯 SDSS」—を提案する。50メートルの単一電波望遠鏡に1000ピクセルのスペクトル計アレイを搭載することで、1 mm で約100 μJy の曇り限界深度の深さある測定が可能となり、1平方度あたり約15万個の銀河を検出可能であり、z~7–10 における星形成率の正確な測定や L⋆ に相当する銀河の赤方偏移の測定が可能となる。

ABSTRACT

The Sloan Digital Sky Survey (SDSS) was revolutionary because of the extraordinary breadth and ambition of its optical imaging and spectroscopy. We argue that a 'sub-millimeter SDSS' - a sensitive large-area imaging+spectroscopic survey in the sub-mm window - will revolutionize our understanding of galaxy evolution in the early Universe. By detecting the thermal dust continuum emission and atomic and molecular line emission of galaxies out to z~10 it will be possible to measure the redshifts, star formation rates, dust and gas content of hundreds of thousands of high-z galaxies down to ~L*. Many of these galaxies will have counterparts visible in the deep optical imaging of the Large Synoptic Survey Telescope. This 3D map of galaxy evolution will span the peak epoch of galaxy formation all the way back to cosmic dawn, measuring the co-evolution of the star formation rate density and molecular gas content of galaxies, tracking the production of metals and charting the growth of large-scale structure.

研究の動機と目的

• 現在のミリ波帯測定が大きなビームと分光的フォローアップの不足により曇りノイズに苦しんでいるという限界を克服すること。
• 光学的暗黒銀河やチリに覆われた銀河など、光学的測定で見逃されがちな高赤方偏移銀河を包括的に同定すること。
• z≈10 までに数百万人の銀河について正確な赤方偏移と物理的測定（星形成率、ガス、チリ）を可能にすること。
• 星形成率密度、分子ガス、金属量の共進化を用いて、宇宙の歴史にわたる銀河進化の3次元マップを作成すること。
• LSST や ALMA と連携し、高ℓ銀河の確実な赤方偏移と源の関連付けを提供すること。

提案手法

• 100 km s⁻¹ のチャンネルあたり数mJyの感度を達成するため、1000ピクセルのチップ内スペクトル計アレイを搭載した50メートルの単一電波望遠鏡を運用する。
• 850 μm での全バンド幅連続感度を約20 μJy として、z≈3–5 の L⋆ ガンガラックスの熱的チリ放射を検出する。
• 200 km s⁻¹ のチャンネルあたり 1 σ 感度を約500 μJy に達成し、SFR が 10–100 M☉ yr⁻¹ の銀河における [C ii] および CO 線を検出可能にする。
• レイリー＝ジェーンズ尾部における負の K補正を活用し、z≈10 まで赤方偏移にかかわらず均一な深さを維持する。
• UVOIR 光度測定とミリ波帯光度測定を組み合わせて赤方偏移の光度測定を可能とし、分光線を用いて正確な赤方偏移を決定する。
• 1 mm で約100 μJy の曇り限界深度を活用し、1000 deg² の測定において源の検出率を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広域で高感度なミリ波帯分光測定調査は、z≈10 までに数十万個の高赤方偏移銀河を検出し、赤方偏移を測定できるか？
• RQ2 ミリ波帯測定は曇りと宇宙論的減光の影響をどれほど克服し、宇宙の歴史にわたって均一な深さを維持できるか？
• RQ3 ブラインド分光測定において、[C ii] および CO 線放射を用いて、SFR が 10–100 M☉ yr⁻¹ の高ℓ銀河をどれだけ検出できるか？
• RQ4 50メートル望遠鏡に1000ピクセルのスペクトル計アレイを搭載した場合、1平方度あたりに予想される線分光検出数はどの程度か？
• RQ5 このような調査が、銀河形成のピーク期における星形成およびガス含量の包括的統計的把握をどのように可能にするか？

主な発見

• 50メートル望遠鏡を用いた深さあるブラインド分光測定調査では、1 mm で約100 μJy の曇り限界を仮定した場合、z≈7 までに1平方度あたり約15万個の銀河を検出可能である。
• この装置は1 σ 感度を約500 μJy/200 km s⁻¹ チャンネルに達成し、z≈3–5 のLIRGから発する [C ii] 線放射（線輝度 5–10 mJy）を検出可能である。
• ミリ波帯測定は負の K補正の恩恵を受けるため、宇宙論的減光にかかわらず、z≈10 までほぼ均一な深さを維持できる。
• 850 μm の輝度が約100 μJy の L⋆ ガンガラックスからの熱的チリ放射が検出可能であり、銀河形成の『加速期』における星形成の包括的統計的把握が可能となる。
• 提案された装置は、ALMA や現在の UVOIR 設備では到達できない z≈10 まで CO および [C ii] 線放射源を検出可能である。
• 1000ピクセルのスペクトル計アレイには約10⁸個の検出器が必要であり、財務的実現可能性のためには1検出器あたり1ドル未満のコスト削減が必要である。