[논문 리뷰] The THESAN project: predictions for multi-tracer line intensity mapping in the epoch of reionization

Rahul Kannan, Aaron Smith외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 137인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 thesan 시뮬레이션을 활용하여 재결합 시기 동안의 고해상도 다중 트레이서 선 강도 매핑 예측을 제시한다. 하위해상도 광이온화 모델과 몬테카를로 방사선 전달을 조합하여 고적색우주에서의 은하에 대한 먼지 감쇠된 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 시뮬레이션한다. 이는 금속성 농도가 낮아 저적색우주 관계와 상당한 차이를 보이며, $k_{\mathrm{transition}}$가 이온화 영역 크기의 민감한 탐지도구임을 밝혀내며, 향후 LIM 실험을 해석하기 위한 강력한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Line intensity mapping (LIM) is rapidly emerging as a powerful technique to study galaxy formation and cosmology in the high-redshift Universe. We present LIM estimates of select spectral lines originating from the interstellar medium (ISM) of galaxies and 21 cm emission from neutral hydrogen gas in the Universe using the large volume, high resolution THESAN reionization simulations. A combination of sub-resolution photo-ionization modelling for HII regions and Monte Carlo radiative transfer calculations is employed to estimate the dust-attenuated spectral energy distributions (SEDs) of high-redshift galaxies ($z\gtrsim5.5$). We show that the derived photometric properties such as the ultraviolet (UV) luminosity function and the UV continuum slopes match observationally inferred values, demonstrating the accuracy of the SED modelling. We provide fits to the luminosity--star formation rate relation (L-SFR) for the brightest emission lines and find that important differences exist between the derived scaling relations and the widely used low-$z$ ones because the interstellar medium of reionization era galaxies is generally less metal-enriched than in their low redshift counterparts. We use these relations to construct line intensity maps of nebular emission lines and cross correlate with the 21 cm emission. Interestingly, the wavenumber at which the correlation switches sign ($k_\mathrm{transition}$) depends heavily on the reionization model and to a lesser extent on the targeted emission line, which is consistent with the picture that $k_\mathrm{transition}$ probes the typical sizes of ionized regions. The derived scaling relations and intensity maps represent a timely state-of-the-art framework for forecasting and interpreting results from current and upcoming LIM experiments.

연구 동기 및 목표

• 재결합 시기 동안 이완성 및 21 cm 방출의 선 강도 매핑을 예측하기 위한 물리적으로 자율적인 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고해상도 시뮬레이션과 고급 방사선 전달을 활용하여 고적색우주 은하($z \gtrsim 5.5$)의 먼지 감쇠된 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 모델링하기 위해.
• 은하간성 매질 성질, 특히 낮은 금속성 등이 주요 방출선에 대한 광도–은하간성별 형성률(L–SFR) 스케일링 관계에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 이완성 방출선과 21 cm 방출 간의 상관관계를 조사하여 $k_{\mathrm{transition}}$가 천체물리적으로 민감한 관측량임을 규명하기 위해.
• 현재 및 향후 선 강도 매핑 실험을 해석하기 위한 공개 가능하고 최신 기술 기반의 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 적응 메쉬 강화와 입자 기반 유체역학을 활용한 대규모 고해상도 thesan 재결합 시뮬레이션을 사용한다.
• H II 영역을 해결하기 위해 하위해상도 광이온화 모델을 적용하고, 먼지 감쇠된 고적색우주 은하의 SED를 계산하기 위해 몬테카를로 방사선 전달을 활용한다.
• 가스 냉각, 별 형성, 피드백을 포함하는 다상태 ISM 모델을 활용하여 $z \gtrsim 5.5$의 적색우주에서 은하 성질을 자율적으로 진화시킨다.
• 주요 이완성 선([O iii], Hα, [C ii] 등)과 중성 수소에서의 21 cm 방출에 대한 합성 선 강도 매핑을 생성한다.
• 선 강도 매핑과 21 cm 방출 간의 교차 파wer 스펙트럼을 계산하여, 선 강도와 21 cm 방출 간 상관관계가 부호를 바꾸는 지점인 $k_{\mathrm{transition}}$를 식별한다.
• 가장 밝은 방출선에 대한 경험적 L–SFR 관계를 피팅하고, 저적색우주 보정과 비교하여 적색우주에 따른 편차를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속성과 더불어 먼지 흡수 감소로 인해 고적색우주 은하의 주요 방출선에 대한 광도–은하간성별 형성률 스케일링 관계가 저적색우주 관계와 어떻게 다를까?
• RQ2 이완성 선 강도 매핑과 21 cm 방출 간의 상관관계는 재결합 모델과 방출선 선택에 얼마나 의존하는가?
• RQ3 선 강도와 21 cm 방출 간 상관관계가 부호를 바꾸는 지점인 $k_{\mathrm{transition}}$의 물리적 의미는 무엇인가?
• RQ4 모의된 광학적 성질(예: UV 광도 함수, UV 연속 스퍼셉트럼 기울기)이 고적색우주 은하의 관측 제약 조건과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 모의된 선 강도 매핑과 SED가 향후 선 강도 매핑 조사의 신뢰할 수 있는 이론적 기준이 될 수 있는가?

주요 결과

• 고적색우주 은하($z \gtrsim 5.5$)의 모의된 UV 광도 함수와 UV 연속 스퍼셉트럼 기울기는 관측 추정치와 뛰어난 일치를 보이며, SED 모델링 접근법의 타당성을 검증한다.
• 재결합 시기의 주요 방출선, 예를 들어 [O iii]와 Hα에 대한 광도–은하간성별 형성률 스케일링 관계는 금속성 농도가 낮고 먼지 흡수도 적어 저적색우주 관계와 상당한 차이를 보인다.
• 선 강도와 21 cm 방출 간 상관관계가 부호를 바꾸는 지점인 $k_{\mathrm{transition}}$는 재결합 모델에 강하게 의존하며, 이온화 영역 크기의 탐지도구로 기능한다.
• 전이 스케일 $k_{\mathrm{transition}}$는 방출선 선택에 덜 민감하여, 주로 이온화 기포의 전반적인 구조에 의해 결정됨을 시사한다.
• 유도된 L–SFR 관계와 강도 매핑은 현재 및 향후 LIM 실험의 예측과 결과 해석을 위한 물리적으로 타당하고 고해상도의 프레임워크를 제공한다.
• 모의 데이터, 즉 내재된 SED와 먼지 감쇠된 SED는 www.thesan-project.com 를 통해 공개될 예정이며, 모델 비교 및 기기 예측에 광범위하게 활용될 수 있다.