[論文レビュー] The THESAN project: predictions for multi-tracer line intensity mapping in the epoch of reionization

Rahul Kannan, Aaron Smith+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 137被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、theSANシミュレーションを用いて、再電離時代の高分解能・マルチトレーサー線強度マッピング予測を提示する。低分解能の光離電モデルとモンテカルロ放射移動を組み合わせて、高赤方偏移銀河のダスト減光を考慮したスペクトルエネルギー分布（SED）をシミュレートする。その結果、金属量の低さにより、低赤方偏移の関係とは著しく異なる光度–星形成率（SFR）スケーリング関係が示され、$k_{\mathrm{transition}}$ がイオン化領域サイズの感受性の高いプローブであることが判明し、近い将来のLIM実験の解釈に堅牢なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Line intensity mapping (LIM) is rapidly emerging as a powerful technique to study galaxy formation and cosmology in the high-redshift Universe. We present LIM estimates of select spectral lines originating from the interstellar medium (ISM) of galaxies and 21 cm emission from neutral hydrogen gas in the Universe using the large volume, high resolution THESAN reionization simulations. A combination of sub-resolution photo-ionization modelling for HII regions and Monte Carlo radiative transfer calculations is employed to estimate the dust-attenuated spectral energy distributions (SEDs) of high-redshift galaxies ($z\gtrsim5.5$). We show that the derived photometric properties such as the ultraviolet (UV) luminosity function and the UV continuum slopes match observationally inferred values, demonstrating the accuracy of the SED modelling. We provide fits to the luminosity--star formation rate relation (L-SFR) for the brightest emission lines and find that important differences exist between the derived scaling relations and the widely used low-$z$ ones because the interstellar medium of reionization era galaxies is generally less metal-enriched than in their low redshift counterparts. We use these relations to construct line intensity maps of nebular emission lines and cross correlate with the 21 cm emission. Interestingly, the wavenumber at which the correlation switches sign ($k_\mathrm{transition}$) depends heavily on the reionization model and to a lesser extent on the targeted emission line, which is consistent with the picture that $k_\mathrm{transition}$ probes the typical sizes of ionized regions. The derived scaling relations and intensity maps represent a timely state-of-the-art framework for forecasting and interpreting results from current and upcoming LIM experiments.

研究の動機と目的

• 再電離時代のネバラル線および21 cm線の線強度マップを物理的に自己備蓄的なフレームワークで予測するためのもの。
• 高分解能シミュレーションと高度な放射移動を用いて、高赤方偏移銀河（$z \gtrsim 5.5$）のダスト減光を考慮したスペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化する。
• 星間媒体（ISM）の性質、特に低金属量が、主要な線の光度–星形成率（L–SFR）スケーリング関係に与える影響を定量化する。
• ネバラル線強度マップと21 cm線の相互相関を調査し、$k_{\mathrm{transition}}$ が宇宙論的に感受性の高い観測量であることを特定する。
• 現在および近い将来の線強度マッピング実験を解釈するための、公開可能で最新の理論的基盤を提供する。

提案手法

• 適応メッシュリファインメントと粒子ベースの流体力学を備えた大規模・高分解能のtheSAN再電離シミュレーションを用いる。
• H II領域を解像するための低分解能光離電モデルと、ダスト減光SEDを計算するためのモンテカルロ放射移動を適用する。
• ガス冷却、星形成、フィードバックを含む多相ISMモデルを用いて、$z \gtrsim 5.5$ の赤方偏移で銀河の性質を自己備蓄的に進化させる。
• 主要なネバラル線（例：[O III]、Hα、[C II]）および中性水素からの21 cm線の合成線強度マップを生成する。
• 線強度マップと21 cm線の相互相関スペクトルを計算し、線強度と21 cm線の相関が符号を変える波数 $k_{\mathrm{transition}}$ を特定する。
• 最も明るい線のL–SFR関係を経験的にフィットし、低赤方偏移の校正と比較して赤方偏移依存のずれを定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河における主要な線の光度–星形成率スケーリング関係が、低赤方偏移の関係とは、金属量の低さのためどのように異なるか？
• RQ2 ネバラル線強度マップと21 cm線の相互相関が、再電離モデルや線の選択にどの程度依存するか？
• RQ3 $k_{\mathrm{transition}}$、つまり線強度と21 cm線の相関が符号を変える波数の物理的意味は何か？
• RQ4 シミュレートされた光度的性質（例：UV光度関数、UV連続スペクトル傾き）が、高赤方偏移銀河の観測制約とどの程度一致するか？
• RQ5 シミュレートされた線強度マップとSEDが、近い将来の線強度マッピング調査を解釈するための信頼できる理論的ベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• 高赤方偏移銀河（$z \gtrsim 5.5$）のシミュレートされたUV光度関数とUV連続スペクトル傾きは、観測推定値と良好に一致しており、SEDモデリング手法の妥当性が裏付けられる。
• 再電離時代の主要な線、例えば[O III]やHαの光度–SFRスケーリング関係は、金属量の低さとダスト吸収の少なさのため、低赤方偏移の関係とは著しく異なる。
• 線強度と21 cm線の相関が符号を変える波数 $k_{\mathrm{transition}}$ は、再電離モデルに強く依存しており、イオン化領域サイズのプローブとして機能する。
• 遷移スケール $k_{\mathrm{transition}}$ は線の選択にあまり依存しないため、主にイオン化バブルのグローバルトポロジーによって支配されていることが示唆される。
• 得られたL–SFR関係と強度マップは、現在および近い将来のLIM実験の予測と解釈に物理的に根拠のある高精度なフレームワークを提供する。
• シミュレーションデータ（内在的およびダスト減光SEDを含む）は、www.thesan-project.com を通じて公開され、モデル比較や機器予測のための広範なコミュニティ利用が可能になる。