[논문 리뷰] Mapping Large-Scale-Structure Evolution over Cosmic Times

Marta B. Silva, Ely D. Kovetz외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 20.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 87인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 宇宙 시대 전반에 걸쳐 [CII] 및 CO 복사선의 선형도 맵핑(LIM)을 통해 대규모 구조를 맵핑하는 100–2000 GHz 범위의 지구 위성 기반 미션을 제안한다. 고감도, 광역도의 타모그라피적 설문 조사 기능을 통해, 우주론적 파rameter, 은하 형성 역사, 은하 진화에 대한 경쟁적 제약 조건을 제공하며, 재결합 시기 동안 [CII]의 신호 대 잡음비(SNR)가 10을 초과하고 저진동수(J) CO 선들에 대해 약 50에 이를 것으로 예상된다.

ABSTRACT

This paper outlines the science case for line-intensity mapping with a space-borne instrument targeting the sub-millimeter (microwaves) to the far-infrared (FIR) wavelength range. Our goal is to observe and characterize the large-scale structure in the Universe from present times to the high redshift Epoch of Reionization. This is essential to constrain the cosmology of our Universe and form a better understanding of various mechanisms that drive galaxy formation and evolution. We argue that the proposed frequency range would make it possible to probe important metal cooling lines such as [CII] up to very high redshift as well as a large number of rotational lines of the CO molecule. These can be used to trace molecular gas and dust evolution and constrain the buildup in both the cosmic star formation rate density and the cosmic infrared background (CIB). Moreover, surveys at the highest frequencies will detect FIR lines which are used as diagnostics of galaxies and AGN. Tomography of these lines over a wide redshift range will enable invaluable measurements of the cosmic expansion history at epochs inaccessible to other methods, competitive constraints on the parameters of the standard model of cosmology, and numerous tests of dark matter, dark energy, modified gravity and inflation. To reach these goals, large-scale structure must be mapped over a wide range in frequency to trace its time evolution over a reasonable fraction of the volume of the observable Universe. In addition, the surveyed area needs to be very large to beat cosmic variance and to probe the largest scales where its easier to separate the astrophysical and cosmological contributions to the observed signal. Only, a space-borne mission can properly meet these requirements.

연구 동기 및 목표

• z ≈ 3에서 z ≈ 9 사이의 고감도, 광역도 타모그라피적 맵핑을 통한 대규모 구조 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 지속적인 [CII] 및 CO 선형도 변동을 이용하여 우주의 은하 형성 역사와 은하 진화를 탐구하기 위해.
• 어둠의 에너지, 어둠의 물질, 초기 우주의 비정규성 등 기본적인 우주론을 제약하기 위해.
• 지상 기반 설문 조사 및 CMB 관측의 한계를 극복하기 위해, 그들이 다루지 못하는 관측 가능한 우주의 80%에 접근하기 위해.
• 특히 COMAP 및 OST와 같은 기존 및 향후 LIM 미션 간의 중요한 다리를 놓기 위해, 서브 밀리미터에서 적외선 간극을 메우기 위해.

제안 방법

• 우주의 시간에 걸쳐 적색 이동된 [CII] 및 CO 회전선을 관측하기 위해 100–2000 GHz 범위를 커버하는 위성 기반 장비를 제안한다.
• 대규모 설문 조사에서 군집 및 강도 변동 신호를 추출하기 위해 공간 스펙트럼 및 상관 분석 기법을 사용한다.
• 60%의 우주의 역사 동안의 기하학적 진화를 추적하기 위해, 적색 이동에 따라 선형도 변동을 맵핑하기 위해 타모그라피 분석을 적용한다.
• 낮은 각 해상도 요구 조건을 활용하여 천구 전체를 커버하고 천체적 변동을 최소화한다.
• 소형 은하에서 Gpc 스케일의 구조에 이르기까지 다양한 척도에서 은하 복사, 은하간 매질 물리학, 선 밝기 함수를 모델링하기 위해 다중 척도 시뮬레이션을 통합한다.
• 다른 설문 조사와의 상관 분석 및 간섭 신호 제거 기법을 활용하여 천체론적으로 관련 있는 신호를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 위성 기반 LIM 미션이 재결합 시기(z ≈ 9) 동안 [CII] 선형도 맵핑에 대해 SNR > 10을 달성할 수 있는가?
• RQ2 깊은 위성 설문 조사에서 저진동수(J) CO 선들(e.g., J=4–3)과 고진동수(J) CO 선들에 대해 달성 가능한 신호 대 잡음비는 무엇인가?
• RQ3 LIM 측정을 통한 [CII]/CO 비율 분석이 기존 설문 조사의 능력을 초월해 먼지에 싸인 은하 형성 속도 밀도를 어떻게 더 강력하게 제약할 수 있는가?
• RQ4 LIM 기반 BAO 측정이 3 < z < 9 범위에서 우주의 팽창 역사에 얼마나 정밀하게 제약을 가할 수 있는가? 이는 허블 긴장 문제를 줄이는 데 기여하는가?
• RQ5 LIM 설문 조사가 SNR ≲ 10로 FIR 선들인 [OIII] 및 [NII]를 감지하고 특성화할 수 있는가? 이는 AGN 및 은하 피드백 연구에 기여하는가?

주요 결과

• [CII] 선형도 맵핑에 대해 재결합 시기 동안 SNR > 10를 달성하여, 천체의 어둠의 시기 복사 신호를 견고하게 감지할 수 있다.
• 저진동수 CO 선들(e.g., J=4–3)은 SNR ≈ 50로 측정 가능하여 분자 가스 진화를 정밀하게 추적할 수 있다.
• 고진동수 CO 선들은 SNR ≈ 10로 감지 가능하여 고적색 이동에서 밀도가 높고 은하 형성 활동이 활발한 영역을 연구할 수 있다.
• FIR 진단 선들인 [OIII] 및 [NII]는 SNR ≲ 10로 감지 가능하여 AGN 및 은하 피드백 연구를 지원한다.
• LIM 기반 BAO 측정은 적색 이동 범위 3 < z ≲ 9에서 우주의 팽창 역사에 제약을 가하며, 국지 측정과 CMB 측정 사이의 갭을 메운다.
• 이 미션은 ΛCDM 확장에 대해 경쟁적인 제약 조건을 제공하며, 초기 비정규성의 σ(fNL) < 1, 중성미자 질량 합, 효과적인 상대론적 자유도 수에 대한 제약을 가능하게 한다.