[논문 리뷰] CO lines in high redshift galaxies: perspective for future mm instruments

F. Combes, Maoli, R.외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 02. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 향후 밀리미터 및 서브밀리미터 기구를 사용한 고적도 은하성 폭발 은하(z > 2)의 CO 선 방출을 모델링하여 탐지 가능성 예측을 수행한다. 초기 탐지에서의 경험적 제약 조건을 사용하여 모든 회전적 CO 전이에 걸쳐 복사선 밀도를 추정하며, 더 높은 흥(excitation) 덕분에 고-J 선(J ≥ 6)이 더 높은 탐지 가능성 확보함을 보여주지만, 먼지 연속방출이 여전히 더 높은 빛의 세기를 가짐을 확인한다. 본 연구는 ALMA 및 허셜과 같은 향후 천체망원경에 대한 예측을 제공한다.

ABSTRACT

Nearly 10 high redshift (z>2) starburst galaxies have recently been detected in the CO lines, revealing the early presence in the universe of objects with large amounts of already-enriched molecular gas. The latter has sufficient density to be excited in the high-level rotational CO lines, which yield more flux, making easier high-redshift detections; however the effect is not as strong as for the sub-millimeter and far-infrared dust continuum emission. With the help of simple galaxy models, based on these first detections, we estimate the flux in all CO lines expected for such starbursting objects at various redshifts. We discuss the detection perspectives with the future millimeter instruments.

연구 동기 및 목표

• 향후 밀리미터파 기구를 사용하여 고적도(z > 2) 은하성 폭발 은하의 CO 방출선 탐지 가능성 평가.
• 초기 고적도 탐지의 관측된 성질을 바탕으로 CO 회전 전이의 빛의 세기와 복사선 밀도 모델링(J 최대 10까지).
• 이 시스템에서 CO 선과 서브밀리미터 먼지 연속방출의 탐지 가능성 비교.
• ALMA 및 허셜과 같은 차세대 밀리미터/서브밀리미터 망원경을 위한 향후 관측 캠페인에 대한 예측 제공.
• 낮은 총 복사선 밀도에도 불구하고 고-J CO 선 흥이 탐지 가능성에 미치는 영향 정량화.

제안 방법

• 최초로 알려진 고적도 은하성 폭발 은하 10개(z > 2)의 물리적 성질을 기반으로 단순 은하 모델 구축.
• 관측된 CO 선 복사선 밀도와 기체 흥 조건을 사용하여 모든 전이(J = 1–10)에 걸쳐 복사선 밀도 외삽.
• 비열전달 모델을 적용하여 각 CO 전이에 대한 밝기 온도와 선 복사선 밀도 추정(비율 밀도 및 비율 복사선 밀도 임계값 고려).
• 통합 시간 및 비드 크기 추정을 사용하여 ALMA 및 허셜 같은 향후 기구의 기대 감도와 예측된 CO 선 복사선 밀도 비교.
• 특히 고-J 선에 대해 비드 확산과 적색편이 진화의 탐지 가능성에 미치는 영향 고려.
• 신호 대 잡음비를 비교하여 CO 선과 적외선/서브밀리미터 먼지 연속방출의 상대적 탐지 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적도 은하성 폭발 은하(z > 2)에서 CO 전이(J = 1에서 10까지)의 기대 복사선 밀도는 무엇인가?
• RQ2 특히 고-J 전이에서 CO 선의 흥이 향후 밀리미터/서브밀리미터 기구의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 은하들에서 CO 선 복사선 밀도는 적외선 및 서브밀리미터 먼지 연속방출에 비해 어느 정도 강도를 가지는가?
• RQ4 ALMA와 같은 향후 망원경으로 CO 선을 탐지하기 위한 최적의 적색편이와 전이 조합은 무엇인가?
• RQ5 비드 확산과 기구 감도 제한이 고적도 원천의 고-J CO 선 탐지에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고-J CO 전이(J ≥ 6)는 더 높은 흥 덕분에 저-J 선보다 훨씬 높은 복사선 밀도를 만들어내어 총 복사선 밀도가 낮더라도 탐지 가능성 향상.
• J = 6–10의 예측된 CO 선 복사선 밀도는 ALMA 및 허셜이 z ≈ 3–6에서 탐지 가능하며, 특히 밀도가 높고 표면 밝기가 높은 소형 은하에서는 더욱 그렇다.
• CO(6–5) 및 CO(7–6) 선은 높은 흥과 밀리미터/서브밀리미터 창구 내 적절한 주파수 배치의 균형을 이루기 때문에 가장 유망한 탐지 후보.
• CO 선 방출은 탐지 가능하지만 대부분의 경우 먼지 연속방출이 더 높은 빛의 세기를 가지므로 더 쉽게 탐지 가능.
• 향후 고감도 및 고각해상도(예: ALMA) 기구를 통해 고적도 은하에서 CO의 체계적 조사가 가능할 것으로 예측.
• 모델은 분자 기체 질량 ≥ 10^10 M☉이고 항성 형성률이 높은 은하에서는 CO 선 탐지가 가능할 것으로 예측하며, 이는 관측된 은하성 폭발 시스템과 일치함.