[논문 리뷰] The case for a 'sub-millimeter SDSS': a 3D map of galaxy evolution to z~10

J. E. Geach, M. Banerji외 54명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 열성-dust 복사와 원자/분자 선을 탐지하여 적색이동 z≈10까지 은하 진화의 3차원 맵을 작성하기 위해 광역적이고 민감한 마이크로미터 스펙트로스코픽 조사—'마이크로미터 SDSS'—을 제안한다. 50미터 단일 반사계열 망원경과 1000픽셀 스펙트럼계측기 어레이를 사용하여, 1mm 파장에서 100 μJy의 혼잡도 한계에 도달하는 깊은 조사가 가능해져, 1제곱도당 약 15만 개의 은하를 탐지할 수 있으며, 이는 z~7–10에서 L⋆ 수준까지 정밀한 적색이동과 항성 형성률 측정이 가능하게 한다.

ABSTRACT

The Sloan Digital Sky Survey (SDSS) was revolutionary because of the extraordinary breadth and ambition of its optical imaging and spectroscopy. We argue that a 'sub-millimeter SDSS' - a sensitive large-area imaging+spectroscopic survey in the sub-mm window - will revolutionize our understanding of galaxy evolution in the early Universe. By detecting the thermal dust continuum emission and atomic and molecular line emission of galaxies out to z~10 it will be possible to measure the redshifts, star formation rates, dust and gas content of hundreds of thousands of high-z galaxies down to ~L*. Many of these galaxies will have counterparts visible in the deep optical imaging of the Large Synoptic Survey Telescope. This 3D map of galaxy evolution will span the peak epoch of galaxy formation all the way back to cosmic dawn, measuring the co-evolution of the star formation rate density and molecular gas content of galaxies, tracking the production of metals and charting the growth of large-scale structure.

연구 동기 및 목표

• 현재의 마이크로미터 대역 조사가 큰 광선 빔과 스펙트럼적 후속 관측 부족으로 인해 혼잡도 노이즈를 겪는 문제를 해결하기 위해.
• 광학 조사에서 놓치는 광학적으로 어두운 천체와 먼지로 뒤덮인 천체를 포함한 고적색이동 은하의 완전한 총계를 가능하게 하기 위해.
• 수천만 개의 은하에 대해 z≈10까지 정밀한 적색이동과 물리적 측정치(SFR, 가스, 먼지)를 제공하기 위해.
• 우주의 시간에 따라 항성 형성률 밀도, 분자 가스, 금속성 농도가 상호 연속적으로 변화하는 것을 고려하여 은하 진화의 3차원 맵을 작성하기 위해.
• LSST와 ALMA와의 시너지를 위해 고ℓ 은하에 대한 확실한 적색이동과 소스 연관 정보를 제공하기 위해.

제안 방법

• 100 km s⁻¹ 채널당 백분율 감도가 수 마이크로와트 이하인 50미터 단일 반사계열 마이크로미터 대역 망원경과 1000픽셀 온칩 스펙트럼계측기 어레이를 도입하여, 깊은 조사 수행을 가능하게 한다.
• 850 μm에서 약 20 μJy의 광역 연속 스펙트럼 감도를 확보하여 z≈3–5에서 L⋆ 은하의 열성 먼지 복사를 탐지한다.
• 200 km s⁻¹ 채널당 1σ 감도 약 500 μJy를 확보하여 항성 형성률 ~10–100 M☉ yr⁻¹인 은하의 [C ii] 및 CO 선을 탐지한다.
• 레이일리-지운 꼬리에서의 음성 K보정을 활용하여, 우주적 어둠이 발생하더라도 z≈10까지 균일한 깊이를 유지한다.
• 마이크로미터 대역 광도 측정과 UVOIR 광도 측정을 융합하여 광도 기반 적색이동을 가능하게 하고, 스펙트럼 선을 통해 정밀한 적색이동을 확보한다.
• 1mm에서 약 100 μJy의 혼잡도 한계 깊이를 활용하여 1000 deg² 조사에서 소스 탐지율을 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역적이고 민감한 마이크로미터 대역 스펙트럼 조사가 z≈10까지 수천만 개의 고적색이동 은하를 탐지하고 적색이동을 측정할 수 있는가?
• RQ2 마이크로미터 대역 조사는 얼마나 깊이 혼잡도와 천체 물리적 어둠을 극복하여 우주의 시간에 걸쳐 균일한 깊이를 유지할 수 있는가?
• RQ3 눈먼 스펙트럼 조사에서 [C ii] 및 CO 선 복사에 의해 SFR ~10–100 M☉ yr⁻¹인 고ℓ 은하의 수는 얼마나 탐지될 수 있는가?
• RQ4 50미터 망원경과 1000픽셀 스펙트럼계측기 어레이를 갖춘 조사에서 제곱도당 기대로 탐지되는 선의 수는 얼마인가?
• RQ5 이러한 조사가 은하 형성의 peak 시기에 걸쳐 항성 형성과 가스 함량의 완전한 총계를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 50미터 망원경을 사용한 깊은 눈먼 스펙트럼 조사에서는 1mm에서 약 100 μJy의 혼잡도 한계를 가정할 경우, z≈7까지 제곱도당 약 15만 개의 은하를 탐지할 수 있다.
• 이 장비는 200 km s⁻¹ 채널당 1σ 감도 약 500 μJy를 확보하여, z≈3–5에서 LIRG의 [C ii] 복사를 선명하게 탐지할 수 있으며, 선 밀도는 약 5–10 mJy 수준이다.
• 마이크로미터 대역 조사는 음성 K보정 덕분에, 천체 물리적 어둠에도 불구하고 z≈10까지 근사적으로 균일한 깊이를 유지할 수 있다.
• 이 조사는 z≈3–5에서 L⋆ 은하의 열성 먼지 복사를 850μm에서 약 100 μJy의 복사 밀도로 탐지할 수 있으며, 이는 '성장기' 시기에 항성 형성의 완전한 총계를 가능하게 한다.
• 제안된 장비는 ALMA와 현재의 UVOIR 시설이 도달하지 못하는 z≈10까지 CO 및 [C ii] 선 방출체를 탐지할 수 있다.
• 1000픽셀 스펙트럼계측기 어레이는 약 10⁸개의 검출기가 필요하며, 재정적 타당성을 확보하기 위해 1개당 가격을 1달러 이하로 낮춰야 한다.