[논문 리뷰] Cross-correlations between mm-wave line-intensity mapping and weak lensing surveys: preliminary consideration of long-term prospects

Dongwoo T. Chung|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 105인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 루빈 관측소 LSST의 약한 렌즈링 시각화에서 z=0.5–1에서의 mm파 대역 CO 선 강도 매핑(LIM)과 약한 렌즈링 시각화 간의 상관관계를 예측하며, 향후 스테이지 3 LIM 실험에서 신호 대 잡음비가 50인 상관관계를 탐지할 수 있음을 보여주며, 천체물리학적 매개변수와의 혼동을 피하기 위해 우주 분자의 가스 밀도에 경쟁 가능한 제약 조건을 제공한다. 현재의 프로토타입 LIM 실험과 초기 LSST 데이터를 사용할 경우 2σ 수준의 경계 탐지가 가능할 것으로 예상된다.

ABSTRACT

The field of millimetre-wave line-intensity mapping (LIM) is seeing increased experimental activity with pathfinder surveys already deployed or deploying in the next few years, making spectroscopic measurements of unresolved atomic and molecular line emission tracing the large-scale structure of the Universe. The next decade will also see the Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) undertake a photometric galaxy survey programme of unprecedented scope, including measurements of cosmic shear exploiting weak gravitational lensing (WL) of background galaxies to map projected large-scale structure. We consider prospects for detecting angular cross power spectra between non-tomographic cosmic shear and mm-wave LIM surveys that measure emission from CO lines at $z=0.5$-$1$. We forecast that once the LSST Year 10 WL dataset is available, a future LIM experiment, conceivably deployed in the next 10-15 years, would enable such a cross-correlation detection with an overall signal-to-noise ratio of $50$, although the current pathfinder generation of CO/[C II] surveys are more likely to achieve a marginal $2\sigma$ detection against an earlier-stage LSST WL dataset. The signal has modest astrophysical constraining power yielding competitive constraints on cosmic molecular gas density at $z\lesssim1$, and degeneracies between astrophysical parameters and the intrinsic alignment amplitude mean that external information on either one could allow the cross-correlation analysis to significantly improve its constraints on the other.

연구 동기 및 목표

• 루빈 관측소 LSST의 약한 렌즈링 조사에서 유도된 천체 시각화와 mm파 대역 CO 선 강도 매핑(LIM) 간의 상관관계 탐지 가능성 평가.
• 특히 분자의 가스 밀도와 본질적 정렬(IA) 효과에 대한 이러한 상관관계의 천체물리학적 및 천체역학적 제약 능력 평가.
• 특히 z ≲ 1에서 대규모 구조를 탐사하는 데 있어 LIM와 WL 간의 상호보완적 상호작용 탐색.
• 미래 LIM 실험을 위한 초도 예측 제공, 최적의 관측 창과 매개변수 공간 규명.
• 공동 분석이 천체물리학적 매개변수와 IA 강도 간의 혼동을 어떻게 해소할 수 있는지 강조.

제안 방법

• ΛCDM 천체역학 모델을 사용하여 플랑크 2015 파rameters를 기반으로, LSST Y10 유사 데이터에서의 비타임오믹스 천체 시각화와 z=0.5–1에서의 mm파 대역 CO 선 LIM 간의 각도 상관력스펙트럼을 모델링.
• 어둠의 물질 허브 질량과 CO 빛의 강도를 연결하기 위해 허브 점유 분포(HOD) 모델을 사용하며, 적색편이에 따라 변화하는 CO-to-H2 변환 요소(αCO)를 포함.
• Serra 등(2016)의 모델을 수정하여, 해상도가 낮은 은하에서의 선 방출과 적색편이 진화를 고려한 LIM 스펙트럼을 계산.
• 10,000 deg²의 관측 영역과 현실적인 노이즈 수준을 가정하여, 피셔 행렬 형식을 사용해 상관관계 탐지의 신호 대 잡음비(S/N)를 예측.
• 형상 노이즈, 샷 노이즈, 천체역학적 변동 기여를 포함하고, 본질적 정렬(IA) 강도를 포함한 부수적 매개변수를 통합.
• 피셔 행렬 투영을 사용해 CO–적외선 빛의 강도 관계 및 ρH2(분자의 가스 밀도)와 같은 핵심 천체물리학적 매개변수의 제약 능력 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=0.5–1에서 mm파 대역 CO LIM와 LSST 천체 시각화 간의 상관관계 탐지에 대해 기대되는 신호 대 잡음비는 얼마인가요?
• RQ2 이 상관관계로 제약을 받을 수 있는 천체물리학적 매개변수는 무엇이며, 기존의 탐측 수단과 비교해 얼마나 경쟁력이 있나요?
• RQ3 CO–적외선 빛의 강도 관계와 같은 천체물리학적 매개변수와 본질적 정렬(IA) 강도 간의 혼동은 추론에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 현재의 프로토타입 LIM 실험과 향후 스테이지 3 LIM 조사 간의 상관관계 탐지 가능성은 어떻게 다릅니까?
• RQ5 적색편이 밴드에 따라 상관관계 신호는 어떻게 변화하며, 타임오믹스 확장의 잠재력은 무엇입니까?

주요 결과

• 미래의 mm파 대역 스테이지 3 LIM 실험은 LSST 연도 10 약한 렌즈링 데이터와의 CO 선 상관관계를 신호 대 잡음비 50로 탐지할 수 있다.
• 현재의 프로토타입 LIM 실험(예: COMAP, COPSS)은 초기 LSST 약한 렌즈링 데이터와 비교해 경계적인 2σ 탐지에 그칠 것으로 예상된다.
• 상관관계는 z≲1에서의 천체 분자의 가스 밀도 ρH2에 대해 기존의 탐측 수단과 비교해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공한다.
• 기타 매개변수를 통합한 후, CO–적외선 빛의 강도 관계와 본질적 정렬(IA) 강도에 대해 보통 수준의 제약 능력을 얻는다.
• 천체물리학적 매개변수와 IA 강도 사이에 강한 혼동이 존재하므로, 외부 사전 정보를 통해 둘 중 하나의 제약을 크게 향상시킬 수 있다.
• 스테이지 3 LIM 실험의 경우 예측된 S/N이 각 개별 주파수 채널에서 5σ를 초과하여, 탐지의 통계적 신뢰도가 매우 높음을 시사한다.