[논문 리뷰] CO line emission from Lyman Break Galaxies. Cosmological simulations and predictions for ALMA

T. R. Greve, Jesper Sommer‐Larsen|ArXiv.org|2006. 08. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 은하계 유체역학 시뮬레이션을 사용하여 z~3의 하위-L* 라이만 브레이크 은하에서의 CO 선 방출을 예측하고, ALMA의 탐지 가능성과 천체역학 질량 측정의 신뢰성을 평가한다. 연구 결과, 초신성 폭발에 의한 피드백은 CO 선 프로파일에 영향을 주지 않지만, ALMA의 탐지 능력은 경사각에 따라 크게 좌우되며, 일반적인 고적색도 은하의 정확한 운동학적 및 질량 측정을 제한한다.

ABSTRACT

[Abridged] The detection of the rotational lines of CO in proto-galaxies in the early Universe provides one of the most promising ways of probing the fundamental physical properties of a galaxy, such as its size, dynamical mass, gas density, and temperature. While such observations are currently limited to the most luminous galaxies, the advent of ALMA will change the situation dramatically, resulting in the detection of numerous normal galaxies at high redshifts. Maps and spectra of rotational CO line emission were calculated from a cosmological N-body/hydrodynamical TreeSPH simulation of a z ~ 3 "Lyman break galaxy'' of UV luminosity about one order of magnitude below L*. To simulate a typical observation of our system with ALMA, we imposed characteristic noise, angular, and spectral resolution constraints. The CO line properties predicted by our simulation are in good agreement with the two Lyman break systems detected in CO to date. We find that while supernovae explosions from the ongoing star formation carve out large cavities in the molecular ISM, they do not generate large enough gas outflows to make a substantial imprint on the CO line profile. This implies that for most proto-galaxies - except possibly the most extreme cases - stellar feedback effects do not affect CO as a dynamical mass tracer. Detecting CO in sub-L* galaxies at z ~3 will push ALMA to the limits of its cababilities, and whether a source is detected or not may depend critically on its inclination angle. Both these effects (sensitivity and inclination) will severely impair the ability of ALMA to infer the gas kinematics and dynamical masses using line observations.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션을 사용하여 z~3의 하위-L* 라이만 브레이크 은하에서의 CO 선 방출 특성을 예측한다.
• 실제 감도와 해상도 조건을 고려할 때 ALMA가 일반적인 고적색도 은하에서 CO를 탐지하는 데 있어 감도와 해상도의 한계를 평가한다.
• 초신성 피드백이 CO 선 프로파일을 현저히 왜곡시키며, CO가 천체역학 질량 추정 도구로서 신뢰할 수 없게 만드는지 평가한다.
• 경사각과 관측 해상도가 CO 기반 천체역학 질량 추정의 신뢰성에 미치는 영향을 파악한다.
• 미래의 ALMA 관측을 해석하기 위한 이론적 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 자기 일관된 복사 물리학(별 형성 및 초신성 피드백 포함)을 갖춘 우주론적 N-체/유체역학 트리SPH 코드를 사용하여 z~3 라이만 브레이크 은하의 후손을 시뮬레이션한다.
• 모의된 분자 가스 분포에서 CO 전이(예: CO 3–2, 4–3)에 대한 CO 강도 지도와 선 프로파일을 계산한다.
• ALMA 유사 관측 조건 적용: 0.1'' 해상도, 108 GHz 주파수, 실질적인 열 노이즈(rms는 ALMA 감도 계산기에서 유도)를 고려한 24시간 적립 시간.
• 다른 관측 각도에서 디스크 공식(Bryant & Scoville 1996)을 사용하여 CO 선 너비와 공간적 크기를 기반으로 천체역학 질량 추정을 수행한다.
• 예측의 유효성을 검증하기 위해 두 개의 알려진 z~3 LBG(cB58 및 J2135)의 관측치와 모의된 CO 선 프로파일과 빛의 세기를 비교한다.
• 경사각이 CO 선 너비, 유량, 탐지 가능성에 미치는 영향을 분석하고, 천체역학 질량 추정 오차를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 감도와 해상도 조건을 고려할 때, ALMA는 하위-L* 라이만 브레이크 은하에서 z~3의 CO 방출을 얼마나 정확하게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 초신성 피드백은 고적색도 은하에서 CO 선 프로파일을 얼마나 변화시키며, CO가 천체역학 질량 추정 도구로서의 신뢰성을 저하시키는가?
• RQ3 은하의 경사각이 ALMA 관측에서 CO 방출의 탐지 가능성과 측정된 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모의된 CO 선 너비와 빛의 세기는 cB58 및 J2135와 같은 알려진 z~3 LBG의 관측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제한된 공간적 및 스펙트럼 해상도 조건에도 불구하고, CO 방출은 고적색도 은하에서 총 가스 질량과 천체역학 질량을 신뢰성 있게 추적할 수 있는가?

주요 결과

• 모의된 z~3 LBG의 CO 선 프로파일은 cB58 및 J2135의 관측치와 일치하여 시뮬레이션의 예측 능력을 검증한다.
• 초신성 피드백은 분자 ISM에 공극을 형성하지만, CO 선 프로파일에 큰 영향을 주지 않으며, 이는 CO가 천체역학 질량 추정 도구로서 강건함을 시사한다.
• 은하가 얼굴을 햖을 때 최대 밝기 상태에서만 ALMA가 CO 방출을 4σ 수준에서 탐지할 수 있으며, 이는 강한 경사각 의존성을 보여준다.
• 다양한 경사각에서 총 CO 빛의 세기는 30% 이내로 변동하여, CO가 관측 각도에 관계없이 총 가스 질량의 신뢰할 수 있는 추적 도구임을 나타낸다.
• 가로질러 본 시스템에서는 CO 선 너비 기반 천체역학 질량 추정이 20% 이내의 정확도로 유지되나, 두 개의 융합된 성분이 시야에 겹칠 경우 오차가 50%로 악화된다.
• ALMA가 z~3의 하위-L* LBG를 관측할 경우, 해상도가 부족하여 CO 크기나 선형형태를 정확히 제약할 수 없어 탐지 전용 실험에 국한될 가능성이 높다.