[论文解读] A Virtual Sky with Extragalactic HI and CO Lines for the SKA and ALMA

Danail Obreschkow, Hans-Rainer Kloeckner+3 more|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|Aug 7, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 49

一句话总结

本文基于密立根模拟的半解析星系模型，在500 h⁻¹ Mpc的共动体积内，对河外HI和CO发射线进行了大规模天空模拟，预测了谱线流量、轮廓和角大小。关键结果表明，与无演化模型预测相比，z ≳ 2时HI发射显著更难探测，挑战了当前假设，并为未来SKA和ALMA观测提供了对半解析模型的检验途径。

ABSTRACT

We present a sky simulation of the atomic HI emission line and the first ten CO rotational emission lines of molecular gas in galaxies beyond the Milky Way. The simulated sky field has a comoving diameter of 500/h Mpc, hence the actual field-of-view depends on the (user-defined) maximal redshift zmax; e.g. for zmax=10, the field of view yields ~4x4 sqdeg. For all galaxies, we estimate the line fluxes, line profiles, and angular sizes of the HI and CO emission lines. The galaxy sample is complete for galaxies with cold hydrogen masses above 10^8 Msun. This sky simulation builds on a semi-analytic model of the cosmic evolution of galaxies in a Lambda-cold dark matter (LCDM) cosmology. The evolving CDM-distribution was adopted from the Millennium Simulation, an N-body CDM-simulation in a cubic box with a side length of 500/h Mpc. This side length limits the coherence scale of our sky simulation: it is long enough to allow the extraction of the baryon acoustic oscillations (BAOs) in the galaxy power spectrum, yet the position and amplitude of the first acoustic peak will be imperfectly defined. This sky simulation is a tangible aid to the design and operation of future telescopes, such the SKA, the LMT, and ALMA. The results presented in this paper have been restricted to a graphical representation of the simulated sky and fundamental dN/dz-analyzes for peak flux density limited and total flux limited surveys of HI and CO. A key prediction is that HI will be harder to detect at redshifts z>2 than predicted by a no-evolution model. The future verification or falsification of this prediction will allow us to qualify the semi-analytic models.

研究动机与目标

• 在大宇宙学体积内模拟银河系以外星系的原子HI和CO转动线发射的空间与光谱分布。
• 为未来望远镜（如SKA、ALMA和LMT）的HI和CO线探测性提供定量预测。
• 通过将模拟的谱线流量和红移分布与未来观测对比，检验半解析星系模型的预测。
• 通过HI和CO线功率谱（包括重子声学振荡（BAO））支持宇宙大尺度结构的研究。
• 通过建模源密度和混淆极限，支持下一代射电与亚毫米波望远镜的巡天设计与优化。

提出的方法

• 模拟基于密立根N体模拟的暗物质分布，采用半解析星系模型，共动盒子尺寸为500 h⁻¹ Mpc。
• 星系属性（包括冷HI质量与CO光度）由模型推导得出，HI质量的完整度极限为10⁸ M☉。
• 计算了HI 21 cm线及前十个CO转动跃迁（J=1–10）的谱线流量、红移频率和角大小。
• 天空区域构建为圆锥形体积，延伸至用户定义的最大红移z_max，视场在z_max=10时约为~4×4 deg²。
• 模拟包含宇宙学膨胀效应，可预测不同红移处的观测谱线轮廓与流量密度。
• 结果与观测约束进行验证，并用于推导峰值流量密度限制与总流量限制巡天的dN/dz分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 河外HI和CO发射线的探测性在宇宙时空中如何变化，特别是在高红移z ≳ 2时？
• RQ2 当前半解析模型在高红移时是否高估了HI探测性，相较于实际演化的物理条件？
• RQ3 模拟的谱线分布与源密度能否用于优化SKA和ALMA的巡天策略？
• RQ4 模拟天空在HI和CO线功率谱中对重子声学振荡（BAO）特征的再现程度如何？
• RQ5 高红移HI和CO巡天的预期混淆水平与源混淆极限为何？

主要发现

• 预测显示，与无演化模型相比，z ≳ 2时HI发射显著更难探测，表明星系冷气体含量存在强烈演化。
• 模拟天空区域共动直径为500 h⁻¹ Mpc，在z_max = 10时视场约为~4×4 deg²，适用于大尺度结构研究。
• 模拟再现了功率谱中的重子声学振荡（BAO）特征，但首个峰因500 h⁻¹ Mpc的有限盒子尺寸而约束较差。
• HI与CO线的dN/dz分布均显示强烈的红移演化，由于星系中更高的光度，CO探测峰值出现在比HI更高的红移。
• 模拟预测CO(1–0)与CO(2–1)线可在z ≈ 6.4以内探测到，与ULIRGs和QSO中观测到的结果一致。
• 该模型为预测混淆极限、线叠加性能及ALMA与SKA巡天在不同红移与流量区域的最优观测策略提供了基础。