[논문 리뷰] Prospects for Observing the Cosmic Web in Lyman-α Emission

Joris Witstok, Ewald Puchwein외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 대규모 구조 필라멘트의 간성간 매질에서의 라이만-알파 방출을 모델링하기 위해 천체역학 유체역학 시뮬레이션을 사용하며, 저밀도에서는 재결합이 주요 기여를 하고 고밀도에서는 충돌에 의한 자극이 주요 기여를 한다고 발견한다. 필라멘트 기체의 직접 검출은 향후 ELT/MUSE 유사 기구를 사용해 매우 긴 노출이 필요하며, 고적색저자기 프로토클러스터가 더 높은 대비와 낮은 배경 분산으로 인해 가장 유망한 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Mapping the intergalactic medium (IGM) in Lyman-α emission would yield unprecedented tomographic information on the large- scale distribution of baryons and potentially provide new constraints on the UV background and various feedback processes relevant to galaxy formation. Here, we use a cosmological hydrodynamical simulation to examine the Lyman-α emission of the IGM due to collisional excitations and recombinations in the presence of a UV background. We focus on gas in large-scale-structure filaments in which Lyman-α radiative transfer effects are expected to be moderate. At low density the emission is primarily due to fluorescent re-emission of the ionising UV background due to recombinations, while collisional excitations dominate at higher densities. We discuss prospects of current and future observational facilities to detect this emission and find that the emission of filaments of the cosmic web will typically be dominated by the halos and galaxies embedded in them, rather than by the lower density filament gas outside halos. Detecting filament gas directly would require a very long exposure with a MUSE-like instrument on the ELT. Our most robust predictions that act as lower limits indicate this would be slightly less challenging at lower redshifts (z 􏰄 4). We also find that there is a large amount of variance between fields in our mock observations. High-redshift protoclusters appear to be the most promising environment to observe the filamentary IGM in Lyman-α emission.

연구 동기 및 목표

• 대규모 구조 필라멘트의 간성간 매질에서의 라이만-알파 방출 관측 가능성 평가
• 저밀도 및 고밀도 간성간 매질 영역에서 라이만-알파 방출을 주도하는 물리적 메커니즘 규명
• 현재 및 향후 관측 시설의 필라멘트 간성간 매질 방출 검출 가능성 평가
• 은하성과 허브의 오염으로부터 필라멘트 기체 방출이 가장 잘 드러나는 환경 식별

제안 방법

• 대규모 구조 필라멘트의 간성간 매질 물리 조건을 모델링하기 위해 천체역학 유체역학 시뮬레이션을 사용한다.
• 우주배경 복사의 영향을 고려하여 충돌에 의한 자극과 재결합에 의한 라이만-알파 방출을 계산하기 위해 복사전달 계산을 적용한다.
• MUSE 유사 스펙트럼 해상도와 감도를 고려하여 빔 스메어링과 노이즈를 반영한 모의 관측을 생성한다.
• 감지 가능성 평가를 위해 허브 외부 필라멘트 기체와 임베디드 은하 및 허브의 기여를 분리한다.
• 다양한 영역 간 분산 통계 분석을 수행하여 감지 가능한 신호의 영역 간 변동성 평가.
• 특히 z ≲ 4에서 적색편이 의존적 비교를 수행하여 관측 과제가 우주의 시간에 따라 어떻게 변화하는지 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주망 필라멘트의 저밀도 영역과 고밀도 영역에서 라이만-알파 방출을 주도하는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ2 우주배경 복사는 재결합과 충돌에 의한 자극이 라이만-알파 방출에 기여하는 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 및 향후 관측에서 임베디드 은하 및 허브의 빛에 의해 필라멘트 기체의 방출이 어느 정도 압도되는가?
• RQ4 필라멘트 기체의 희미한 라이만-알파 방출을 감지하기 위해 필요한 관측 노출 시간과 기기 성능은 무엇인가?
• RQ5 고적색저자기 프로토클러스터와 같은 천체물리적 환경에서는 어디에서 필라멘트 간성간 매질 방출이 가장 잘 관측 가능한가?

주요 결과

• 저밀도에서는 우주배경 복사에 의해 이온화 수소가 자극받아 재결합에 의해 재방출되는 형광 방출이 필라멘트의 라이만-알파 방출을 주로 결정한다.
• 고밀도 영역에서는 충돌에 의한 자극이 재결합에 의한 방출을 초월하여 라이만-알파 방출의 주요 기여자가 된다.
• 허브 외부의 필라멘트 기체에서의 방출은 일반적으로 임베디드 은하 및 허브의 빛에 의해 뒤덮여 있어 직접 감지가 매우 어렵다.
• 필라멘트 기체를 직접 감지하기 위해서는 MUSE 유사 기구를 사용해 수백 시간에 이르는 매우 긴 노출이 필요하다.
• 적색편이가 낮은 경우(z ≲ 4)에서는 배경 분산이 감소하고 우주배경 복사 강도가 낮아져 감지 조건이 다소 유리하다.
• 고적색저자기 프로토클러스터는 대비가 향상되고 영역 간 분산이 감소하여 필라멘트 간성간 매질 방출 관측에 가장 유망한 환경으로 부각된다.