[논문 리뷰] Evolution of the Milky Way in Semi-Analytic Models: Detecting Cold Gas at z=3 with ALMA and SKA

Danail Obreschkow, Ian Heywood외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 S3-SAX 반분석은 은하 모델을 사용하여 z=3에서의 은하수 후손에서 냉각된 가스를 탐지하기 위한 ALMA 및 SKA의 능력을 예측한다. ALMA는 24시간 이내에 약 50%의 MW 후손에서 CO(3–2)를 탐지할 수 있으며, SKA의 고주파수 어레이는 거의 모든 이러한 은하를 CO(1–0)를 통해 탐지할 수 있어 망원경의 빈도 조사에 훨씬 더 효과적이다. 그러나 SKA-Low로는 개별 MW 유사체의 HI 탐지가 불가능하다.

ABSTRACT

We forecast the abilities of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Square Kilometer Array (SKA) to detect CO and HI emission lines in galaxies at redshift z=3. A particular focus is set on Milky Way (MW) progenitors at z=3 for their detection within 24 h constitutes a key science goal of ALMA. The analysis relies on a semi-analytic model, which permits the construction of a MW progenitor sample by backtracking the cosmic history of all simulated present-day galaxies similar to the real MW. Results: (i) ALMA can best observe a MW at z=3 by looking at CO(3-2) emission. The probability of detecting a random model MW at 3-sigma in 24 h using 75 km/s channels is roughly 50%, and these odds can be increased by co-adding the CO(3-2) and CO(4-3) lines. These lines fall into ALMA band 3, which therefore represents the optimal choice towards MW detections at z=3. (ii) Higher CO transitions contained in the ALMA bands geq6 will be invisible, unless the considered MW progenitor coincidentally hosts a major starburst or an active black hole. (iii) The high-frequency array of SKA, fitted with 28.8 GHz receivers, would be a powerful instrument for observing CO(1-0) at z=3, able to detect nearly all simulated MWs in 24 h. (iv) HI detections in MWs at z=3 using the low-frequency array of SKA will be impossible in any reasonable observing time. (v) SKA will nonetheless be a supreme ha survey instrument through its enormous instantaneous field-of-view (FoV). A one year pointed HI survey with an assumed FoV of 410 sqdeg would reveal at least 10^5 galaxies at z=2.95-3.05. (vi) If the positions and redshifts of those galaxies are known from an optical/infrared spectroscopic survey, stacking allows the detection of HI at z=3 in less than 24 h.

연구 동기 및 목표

• ALMA 및 SKA를 사용하여 z=3에서의 은하수 후손에서 냉각된 가스(CO 및 HI)의 탐지 가능성 평가
• ALMA 과학 목표의 실현 가능성 평가: 24시간 이내에 z=3에서 MW 유사 은하에서 CO 또는 CII 복사 탐지
• 고적색도 은하에 대한 타겟팅 및 빈도 조사에서 ALMA 및 SKA의 성능 비교
• 멀리 떨어진 은하에서 분자 및 원자 가스 탐지에 최적의 관측 대역 및 전략 결정
• 향후 냉각된 가스 조사와 천체역학 시뮬레이션 간 비교를 위한 통계적 프레임워크 제공

제안 방법

• S3-SAX 반분석 모델은 z=3까지 거슬러 올라가면서 은하 내의 HI 및 H2의 우주적 진화를 시뮬레이션하며, MW 유형의 시스템도 포함한다.
• 은하 성질, 예를 들어 CO 빛의 세기 및 HI 질량은 모델의 항성 형성 및 금속성 역사에서 유도된다.
• ALMA 및 SKA의 관측 조건은 기기 사양을 사용하여 모델링된다: 주파수 대역, 빔 크기, 통합 시간, 감도 곡선.
• 24시간 통합에서 3σ 유의수준에서 신호 대 잡음비(S/N)를 사용하여 탐지 가능성을 계산한다.
• 기존의 광학/적외선 조사에서 소스 위치와 적색편이가 알려진 경우, HI 탐지에 대해 스택 기법을 평가한다.
• ALMA 및 SKA 간 감도 비교를 다양한 주파수 대역과 관측 모드(예: SKA-HF, SKA-LF, SKA-MF) 간에 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALMA는 z=3에서의 은하수 후손에서 CO(3–2) 복사를 24시간 관측 이내에 탐지할 수 있는가?
• RQ2 ALMA와 SKA의 성능은 z=3에서 CO 및 HI 선을 탐지할 때 어떻게 비교되는가?
• RQ3 고적색도 MW 유사체에서 냉각된 가스를 탐지하기 위한 최적의 관측 대역 및 선 전이가 무엇인가?
• RQ4 소스 위치가 사전에 알려진 경우, 스택 기법을 사용하여 SKA로 z=3에서의 은하수 후손에서의 HI 탐지를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 SKA-Low는 z=3에서 빈도 조사로 얼마나 많은 은하를 탐지할 수 있으며, ALMA의 CO 조사 능력과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• ALMA는 75 km s⁻¹ 채널을 사용하여 z=3에서의 은하수 후손에서 CO(3–2) 복사를 약 50% 확률로 24시간 이내에 탐지할 수 있다.
• CO(3–2) 및 CO(4–3) 선을 공액합하면 탐지 가능성이 증가하며, ALMA 밴드 3가 z=3에서의 MW 탐지에 최적이다.
• 더 높은 CO 전이(밴드 ≥6)는 은하가 초신성 폭발 또는 활성핵을 지닌 경우를 제외하고 ALMA로는 탐지 불가능하다.
• SKA의 고주파수 어레이(SKA-HF)는 1000배 더 큰 수집 면적과 넓은 시야각 덕분에 24시간 이내에 거의 모든 시뮬레이션된 MW 후손을 CO(1–0)로 탐지할 수 있다.
• z=3에서 개별 MW 후손의 HI 탐지는 SKA-Low로는 불가능하며, 3σ 탐지에 40,000시간 이상의 통합 시간이 필요하다.
• SKA-Low의 410 deg² 시야각을 가진 1년간의 향상된 HI 조사에서는 z=2.95–3.05 범위에서 최소 10⁵개의 은하를 탐지할 수 있으며, 이는 ALMA의 CO 조사 능력을 훨씬 초월한다.