[論文レビュー] Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) Science: The hidden circumgalactic medium

Minju Lee, Alice Schimek+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2024

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、AtLAST によって隠れた冷たい circumgalactic medium (CGM) をイメージングすることで、銀河進化の重要な側面を明らかにできると主張し、この科学を追求するための望遠鏡と機器の要件を概説している。

ABSTRACT

Our knowledge of galaxy formation and evolution has incredibly progressed through multi-wavelength observational constraints of the interstellar medium (ISM) of galaxies at all cosmic epochs. However, little is known about the physical properties of the more diffuse and lower surface brightness reservoir of gas and dust that extends beyond ISM scales and fills dark matter haloes of galaxies up to their virial radii, the circumgalactic medium (CGM). New theoretical studies increasingly stress the relevance of the latter for understanding the feedback and feeding mechanisms that shape galaxies across cosmic times, whose cumulative effects leave clear imprints into the CGM. Recent studies are showing that a -- so far unconstrained -- fraction of the CGM mass may reside in the cold (T < 1e4 K) molecular and atomic phase, especially in high-redshift dense environments. These gas phases, together with the warmer ionised phase, can be studied in galaxies from z ~ 0 to z ~ 10 through bright far-infrared and sub-millimeter emission lines such as [C II] 158$μ$m, [O III] 88 $μ$m, [C I] 609$μ$m, [C I] 370$μ$m, and the rotational transitions of CO. Imaging such hidden cold CGM can lead to a breakthrough in galaxy evolution studies but requires a new facility with the specifications of the proposed Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST). In this paper, we use theoretical and empirical arguments to motivate future ambitious CGM observations with AtLAST and describe the technical requirements needed for the telescope and its instrumentation to perform such science.

研究の動機と目的

• 銀河進化の重要な要素として冷たい CGM の研究を動機づけ、それが物質の取り込みとフィードバックとどのように結びつくかを示す。
• 現在の施設が埋められない観測ギャップを強調し、50m の単筒サブミリ波望遠鏡の必要性を示す。
• 高感度で拡張した低表面亮度 CGM 発光を高感度でマップするための望遠鏡仕様と機器の必要条件を説明する。
• マルチ波長 CGM 研究を可能にする既存・将来の施設との相乗効果を論じる。

提案手法

• 理論的および経験的議論を用いて AtLAST による将来の CGM 観測を正当化する。
• サブミリ波で CGM 撮像を行うための技術要件と機器能力を概説する。
• 冷たい CGM の特徴づけのための主要な分子・原子のトレーサーを特定する（例： [C II], CO, [CI]）。
• 熱い、暖かい、冷たいガスを跨ぐ多相 CGM アプローチを用いて観測を解釈する。
• 補完データのために現行・将来の施設との相乗効果を説明する。

Figure 1: Cartoon illustrating different scenarios for the CGM composition, inspired by Figure 1 in Tumlinson et al. ( 2017 ) . The galaxy is illustrated as a star-forming (yellow dots) disc partially shrouded by dust (black) and a central bulge (red) surrounded by loosely defined CGM components as

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河へ物質を供給する宇宙的取り込みの性質と相は何か、そしてそれが CGM をどのように充填しているのか。
• RQ2 CGM/IGM に欠落しているバリオンのどれくらいがどのように冷たいガスとしてこの貯蔵に存在するのか、そしてこの貯蔵内の冷たいガスはどのように分布しているのか。
• RQ3 星形成と AGN からのフィードバックの影響と歴史は、宇宙時代を通じて CGM にどのように影響してきたのか。
• RQ4 AtLAST の観測が、異なる銀河環境における CGM の多相構造と動力学をどのように制約できるか。

主な発見

• 冷たい、密な CGM 成分がさまざまな環境で存在するという証拠があり、銀河円盤を超える拡張した分子および原子ガスがかなり存在することを示唆している。
• 現在のサブミリ波施設は表面輝度感度と視野が不足しており、大規模CGM構造をマップできないため、AtLAST の能力を動機づけている。
• 複数のマルチビーム機器を備えた感度の高い広域大口径のサブミリ波望遠鏡は、異なる赤shift にわたる隠れた冷たい CGM を撮像するために不可欠である。
• AtLAST で CGM をマッピングすることは、冷たいガスの取り込み、流出、潮汐、ハロー内の凝結のシナリオを区別するのに役立ち、銀河進化の理解を深める。
• 観測的 CGM 研究には、分子・原子・中性・電離などの多線・多相トレーサーと、他波長との相乗効果が必要である。

Figure 2: The inferred baryon fraction in the CGM and IGM of star-forming main sequence galaxies as a function of stellar mass and halo mass, based on the observational constraints of the following: (i) a baryon fraction of 16% ( Planck Collaboration et al. , 2020 ) , (ii) the stellar-to-halo mass r