[논문 리뷰] Prospects for detecting CII emission during the Epoch of Reionization

Marta B. Silva, Mário G. Santos외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 17.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 200–300 GHz에서 CII 강도 매핑을 사용하여 재결합 시기(Epoch of Reionization, EoR)를 탐색하는 것을 제안한다. 적색편이 z ≈ 5.3–8.5 범위에서 CII 및 CO 배경 방출을 시뮬레이션한 결과, 밝은 CO 방출 은하(지수 2.5 이하, 신호대비잡음비 5×10⁻²² W m⁻² 이상)를 마스킹함으로써 CO 오염(I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹)을 줄일 수 있으며, 이는 CII 신호(I_CII ≈ 4×10² Jy sr⁻¹)의 검출을 가능하게 하고, 21 cm 데이터와의 교차상관을 통해 재결합 과정을 독립적으로 제약할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We produce simulations of emission of the atomic CII line in large sky fields in order to determine the current prospects for mapping this line during the high redshift Epoch of Reionization. We estimate the CII line intensity, redshift evolution and spatial fluctuations using observational relations between CII emission and the SFR in a galaxy for the frequency range of 200 GHz to 300 GHz. We obtained a frequency averaged intensity of CII emission of ${ m I_{ m CII}=(4 \pm 2) imes10^{2}\, Jy\, m sr^{-1}}$ in the redshift range $z\, \sim\, 5.3\, -\, 8.5$. Observations of CII emission in this frequency range will suffer contamination from emission lines at lower redshifts, in particular from the CO rotation lines. For the relevant frequency range we estimated the CO contamination (originated in emission from galaxies at $z\,

연구 동기 및 목표

• 강도 매핑 기법을 사용하여 재결합 시기 동안 CII 방출을 검출할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• CII 관측에서 CO 회전선 및 기타 배경 방출에 의한 오염을 정량화하고 완화하기 위해.
• 은하 설문조사 및 마스킹 전략을 활용하여 CII 신호를 유지하면서 배경 제거 전략을 수립하기 위해.
• CII와 21 cm 지도 간의 교차상관을 통해 재결합 과정을 독립적으로 제약할 잠재력을 평가하기 위해.
• 현재 및 향후 실험에서 기대되는 CII 파wer 스펙트럼과 그 검출 가능성 추정하기 위해.

제안 방법

• CII 및 CO 방출 지도를 적색편이 z ≈ 5.3–8.5 범위에서 CII 빛의 세기와 항성 형성률(SFR) 간의 관측 관계를 사용하여 시뮬레이션하였다.
• 두 가지 독립적인 방법을 사용: (1) CO 전이 빛의 세기와 함께 CII 빛의 세기를 포함한 현상학적 은하 목록(SAX-Sky), (2) 적외선 빛의 세기 함수 및 관측 스케일링 관계를 사용하여 CO 강도를 추정하였다.
• 빛의 통로 효과와 각도 해상도를 모델링하여 현실적인 주파수 및 각도 의존성 강도 지도를 생성하였다.
• CO(I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹) 및 기타 원천(예:-dust, 자유-자유 방출, 약 10⁵ Jy sr⁻¹)으로부터의 오염을 추정하였으며, 이는 주파수적으로 매끄럽기 때문에 스펙트럼 피팅을 통해 제거 가능하다.
• CO(J:2–1)에서 CO(J:6–5)까지의 복사강도 > 5×10⁻²² W m⁻² 또는 AB magnitude m_K < 22인 은하를 대상으로 하는 마스킹 전략을 제안하여 CO 오염을 줄였다.
• 잔여 오염을 추정하고 제거하기 위해 CII 및 CO 선 간의 교차상관 기법을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재결합 시기(z ≈ 5.3–8.5) 동안 CII 방출의 기대 강도 및 공간 파워 스펙트럼은 어떻게 되는가?
• RQ2 200–300 GHz에서 CII 강도 매핑에 있어 CO 회전선 방출은 얼마나 심각한 오염원으로 작용하는가?
• RQ3 밝은 CO 방출 은하를 마스킹하는 것이 CII 신호를 손상시키지 않으면서도 오염을 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 CII 및 CO 강도 지도 간의 교차상관은 잔여 오염을 추정하고 제거하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 CII 강도 매핑은 재결합 과정을 탐색하는 데 21 cm 측정과 어떻게 보완되는가?

주요 결과

• 적색편이 z ≈ 5.3–8.5 범위에서 CII 평균 강도는 (4 ± 2) × 10² Jy sr⁻¹로 추정되며, 항성 형성률 밀도(SFRD)에 따라 10²에서 10³ Jy sr⁻¹의 범위를 가진다.
• z < 2.5에서의 은하로부터의 CO 방출은 I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹의 중요한 오염원으로 기여하며, 주로 밝은 소스에 의해 지배된다.
• CO 복사강도 > 5×10⁻²² W m⁻² 또는 AB magnitude m_K < 22인 은하를 마스킹하면 CO 오염을 효과적으로 줄일 수 있으며, CII 신호는 유지된다.
• 연속기 오염(예:-dust, 자유-자유 방출)은 약 ~10⁵ Jy sr⁻¹로 추정되지만, 주파수적으로 매끄럽기 때문에 스펙트럼 피팅을 통해 제거 가능하다.
• CII 및 CO 강도 지도 간의 교차상관은 마스킹이 충분하지 않을 경우에도 잔여 오염을 추정하고 제거하는 데 사용될 수 있다.
• CII 및 21 cm 신호는 강하게 반상관되어 있으며, 이는 오염에 거의 영향을 받지 않는 강력한 교차상관 측정이 가능하게 하고, 재결합 과정을 독립적으로 탐색할 수 있는 보조 수단이 된다.