[论文解读] Next Generation Very Large Array Memo No. 8 Science Working Group 3: Galaxy Assembly through Cosmic Time

Caitlin M. Casey, Jacqueline Hodge+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用 4

一句话总结

ngVLA 将通过在宇宙时空中以前所未有的角分辨率和偏振保真度，实现对冷分子气体（例如 CO、HCN）和尘埃发射的敏感、宽带检测，彻底改变高红移星系演化研究。它将探测数千个高红移 CO(1-0)发射体，革新空白场巡天，并实现对遥远星系和活动星系核的详细动力学与形态学研究。

ABSTRACT

The Next-Generation Very Large Array (ngVLA) will be critical for understanding how galaxies are built and evolve at the earliest epochs. The sensitivity and frequency coverage will allow for the detection of cold gas and dust in `normal' distant galaxies, including the low-J transitions of molecular gas tracers such as CO, HNC, and HCO+; synchrotron and free-free continuum emission; and even the exciting possibility of thermal dust emission at the highest (z~7) redshifts. In particular, by enabling the total molecular gas reservoirs to be traced to unprecedented sensitivities across a huge range of epochs simultaneously -- something no other radio or submillimeter facility will be capable of -- the detection of the crucial low-J transitions of CO in a diverse body of galaxies will be the cornerstone of ngVLA's contribution to high-redshift galaxy evolution science. The ultra-wide bandwidths will allow a complete sampling of radio SEDs, as well as the detection of emission lines necessary for spectroscopic confirmation of elusive dusty starbursts. The ngVLA will also deliver unique contributions to our understanding of cosmic magnetism and to science accessible through microwave polarimetry. Finally, the superb angular resolution will move the field beyond detection experiments and allow detailed studies of the morphology and dynamics of these systems, including dynamical modeling of disks/mergers, determining the properties of outflows, measuring black hole masses from gas disks, and resolving multiple AGN nuclei. We explore the contribution of a ngVLA to these areas and more, as well as synergies with current and upcoming facilities including ALMA, SKA, large single-dish submillimeter observatories, GMT/TMT, and JWST.

研究动机与目标

• 在广泛的红移范围（z ~ 1–7）内，实现对‘正常’遥远星系中冷分子气体和尘埃发射的探测，特别是通过低阶 CO 跃迁。
• 通过提供超宽频带和高灵敏度，克服当前在红移测量和源检测方面的限制，实现盲巡天。
• 通过高红移系统（包括并合、外流和黑洞质量）的详细动力学与形态学分析，研究星系的形成过程。
• 利用厘米波段的偏振测量和连续谱发射，探究宇宙磁场和活动星系核反馈。
• 与即将投入使用的设施（如 JWST、ALMA、SKA 和 GMT/TMT）建立协同关系，构建星系演化的多波段理解。

提出的方法

• 利用 ngVLA 的 1–115 GHz 频率覆盖范围和 300 km 基线，探测来自 z ~ 1 至 z ~ 7 的低阶 CO、HCN、HNC 和 HCO+ 线的红移发射。
• 利用高达 30 GHz 的瞬时超宽频带，同时在广阔红移范围内观测多个光谱线，实现高效盲巡天。
• 应用高角分辨率（最低达 0.1″）以解析高红移星系中的动力学、气体盘、外流和多个活动星系核。
• 采用高保真度偏振测量（泄漏 < 0.1%），通过尘埃偏振、同步辐射发射和塞曼效应绘制磁场分布。
• 结合连续谱测量（自由-自由、同步辐射、热尘埃）独立追踪恒星形成和活动星系核活动，不受尘埃消光影响。
• 利用模拟和建模预测 CO(1-0) 及其他谱线在宇宙时空中检测产量和灵敏度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 ngVLA 通过盲巡天可在多少高红移星系（z ~ 1–7）中探测到 CO(1-0)？其在宇宙时空中预期的检测产量如何？
• RQ2 ngVLA 在多大程度上能够解析高红移星系中分子气体的动力学，包括盘面旋转、并合和外流？
• RQ3 ngVLA 能否探测到 z ~ 7 星系的热尘埃发射？这揭示了早期恒星形成和尘埃含量的哪些信息？
• RQ4 ngVLA 的偏振测量如何约束宇宙磁场以及活动星系核和星暴反馈的特性？
• RQ5 ngVLA 在通过超宽带谱线巡天对尘埃遮蔽星暴和弱射电活动星系核进行光谱确认方面发挥什么作用？

主要发现

• ngVLA 将使可探测的高红移 CO(1-0)发射体数量从寥寥几个增加到数千个，使盲巡天从罕见变为常规。
• 相比 JVLA，ngVLA 的灵敏度提高 10 倍、带宽扩大 3 倍，将实现射电谱能谱分布的完整采样，并在广阔红移范围内同时检测多个光谱线。
• ngVLA 的 0.1″ 分辨率将使气体盘的动力学建模、黑洞质量测量以及并合系统中多个活动星系核的分辨成为可能。
• ngVLA 将探测到 z ~ 7 处的热尘埃发射，为早期星系中的尘埃含量和恒星形成提供直接探针。
• 在 Stokes Q、U 和 V 中达到 0.1% 的偏振纯度，将实现通过尘埃和同步辐射发射对磁场进行高保真度测绘，这对理解宇宙磁场至关重要。
• ngVLA 的 25 m 天线相比 12 m 天线，将视场扩大约 4.5 倍，可在等效集光面积下，用 700 小时完成对 1500 个星系（z ~ 2.5–9.5）的镶嵌观测，而使用小天线仅能完成约 300 个。