[논문 리뷰] SKA Key science project: Radio observations of cosmic reionization and first light

C. L. Carilli|ArXiv.org|2008. 02. 12.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성 수소의 21cm 방출선을 관측함으로써 간접적이고 공간적으로 해상도가 높은 우주 재이온화 및 첫 번째 은하 형성의 직접적 탐사 방법으로 스텔라리 스킴(스퀘어 킬로미터 어레이, SKA)을 제안한다. 저주파 방사선 관측을 활용함으로써 SKA는 초기 우주의 대규모 구조를 맵핑할 수 있으며, 특히 45GHz까지 연장된 10% SKA 데모기어는 열 방출에 대해 감도를 4배로 높여 고적색도 은하 형성 및 이온화 과정에 대한 돌파구 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

I update the SKA key science program (KSP) on first light and cosmic reionization. The KSP has two themes: (i) Using the 21cm line of neutral hydrogen as the most direct probe into the evolution of the neutral intergalactic medium during cosmic reionization. Such HI 21cm studies are potentially the most important new window on cosmology since the discovery of the CMB. (ii) Observing the gas, dust, star formation, and dynamics, of the first galaxies and AGN. Observations at cm and mm wavelengths, provide an unobscured view of galaxy formation within 1 Gyr of the Big Bang, and are an ideal complement to the study of stars, ionized gas, and AGN done using near-IR telescopes. I summarize HI 21cm signals, challenges, and telescopes under construction. I also discuss the prospects for studying the pre-galactic medium, prior to first light, using a low frequency telescope on the Moon. I then review the current status of mm and cm observations of the most known distant galaxies (z > 6). I make the simple argument that even a 10% SKA-high demonstrator will have a profound impact on the study of the first galaxies. In particular, extending the SKA to the 'natural' atmospheric limit (set by the O_2 line) of 45 GHz, increases the effective sensitivity to thermal emission by another factor four.

연구 동기 및 목표

• 중성 수소의 21cm 선을 우주 재이온화와 간성간 매질의 진화를 직접적으로 탐지할 수 있는 최적의 수단으로 확립하기 위해.
• cm 및 mm 파장 관측을 통해 적색도 z ≥ 6에서의 첫 번째 은하 및 AGN의 기체, 먼지, 별 형성 및 운동학적 특성을 연구하기 위해.
• 10% SKA 데모기어가 특히 45GHz까지 연장될 경우 고적색도 은하의 열 방출을 탐지하는 데 있어 변혁적인 감도를 제공할 수 있음을 입증하기 위해.
• 달의 저주파 방사선 천체망원경이 우주의 어둠의 시대 동안 전은하성 중성 매질을 탐지할 잠재력을 탐색하기 위해.
• 향후 천체망원경(SKA, ALMA, EVLA, JWST)이 원시 은하의 분자선 및 연속 스펙트럼 방출을 탐지하는 데 있어 상대적인 능력을 비교하기 위해.

제안 방법

• 대규모 구조 시뮬레이션을 활용해 우주 재이온화 기간 동안 중성 수소의 기대 21cm 밝기 온도 변동을 모델링하기 위해.
• 고적색도 Quasar 스펙트럼에서의 Gunn-Peterson 효과 및 CMB의 대규모 편광을 분석하여 이온화 역사를 유추하기 위해.
• 빛의 온도 및 복사 세기 예측을 사용해 SKA 1단계 및 확장된 SKA(최대 45GHz)가 고적색도 은하의 열 방출에 대해 갖는 감도를 평가하기 위해.
• EVLA, SKA 1단계, ALMA가 적색도 z = 5인 은하에서 CO 선 방출 및 연속 스펙트럼 방출에 대해 갖는 감도를 비교하기 위해.
• Atmospheric O2 선이 cm파장 천체망원경의 자연스러운 고주파 한계를 결정하며, 이 한계까지 관측을 연장함으로써 감도 향상 효과를 평가하기 위해.
• 모의 방출 스펙트럼을 사용해 다양한 천체망원경과 적색도에서 CO(1-0), CO(2-1), [CII] 158 μm 및 자유-자기/열적 먼지 연속 스펙트럼의 탐지 임계값을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 수소의 21cm 방출선은 어떻게 우주 재이온화와 간성간 매질의 진화를 직접적으로 공간적으로 해상도를 높여 탐지할 수 있는가?
• RQ2 SKA의 운영 대역폭을 45GHz까지 연장함으로써 얻는 감도 우월성은 무엇이며, 이는 고적색도 은하의 열 방출 탐지에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 cm 및 mm 관측은 어떻게 near-IR 및 가시광선 조사와 상호보완적으로 작용하여 z ≥ 6에서의 첫 번째 은하 및 AGN를 연구하는 데 기여하는가?
• RQ4 달에 설치된 저주파 방사선 천체망원경은 우주의 어둠의 시대 동안 전은하성 중성 매질의 21cm 신호를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 SKA, ALMA, EVLA, JWST는 원시 은하의 분자선 및 연속 스펙트럼 방출을 탐지하는 데 대해 상대적으로 어떤 능력을 갖는가?

주요 결과

• 특히 45GHz까지 연장된 10% SKA 데모기어는 22GHz 설계 대비 열 방출에 대한 감도를 4배로 높여 고적색도 은하 탐지 능력을 크게 향상시킨다.
• SKA 1단계 설계는 큰 수집 면적 덕분에 정상적인 별 형성 은하의 CO(1-0) 및 CO(2-1) 방출을 z > 10까지 탐지할 수 있으며, 이는 재이온화 시대를 탐사할 수 있다.
• ALMA는 고적색도 은하에서 고차수 CO 전이 및 [CII] 158 μm 같은 미세구조선을 탐지할 것으로 예상되며, 짧은 cm파장 천체망원경인 SKA는 분자 가스 및 자유-자기 방출 탐지에 최적이다.
• EVLA 및 SKA 1단계는 ALMA보다 분자선 은하에 대한 광역 및 넓은 대역폭 조사 능력이 뛰어나 고적색도 우주 전역의 효율적인 망각 조사가 가능하다.
• 적색도 z = 5인 은하에서 FIR 빛의 세기 ~10¹² L⊙일 경우, SKA 1단계는 45GHz에서 50–200GHz의 고정 프레임 대역에서 연속 스펙트럼 방출을 탐지할 수 있으며, 자유-자기 방출은 먼지 영향 없이 별 형성률을 측정할 수 있다.
• cm파장 천체망원경의 자연스러운 고주파 한계는 약 45GHz에서 대기 중 O2 흡수로 인해 결정되며, 이 한계까지 연장함으로써 기준선 요구 조건을 2배로 줄이고 열원에 대한 감도를 4배로 높일 수 있다.