[论文解读] An empirical representation of a physical model for the ISM [CII], CO, and [CI] emission at redshift $1\leq z\leq9$

Shengqi Yang, Gergö Popping+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种计算高效的、基于经验校准的模型，用于描述红移 1 ≤ z ≤ 9 范围内的亚毫米发射线（[C II]、CO J=1–5、[C I]），采用线 luminosity 与晕质量之间的双幂律关系，并引入红移相关的对数正态散布。该模型能准确再现模拟的线强度（≤10% 的分数误差）和功率谱（≤25% 的差异），从而为即将开展的线强度测绘巡天提供可靠的预测。

ABSTRACT

Sub-millimeter emission lines produced by the interstellar medium (ISM) are strong tracers of star formation and are some of the main targets of line intensity mapping (LIM) surveys. In this work we present an empirical multi-line emission model that simultaneously covers the mean, scatter, and correlations of [CII], CO J=1-0 to J=5-4, and [CI] lines in redshift range $1\leq z\leq9$. We assume the galaxy ISM line emission luminosity versus halo mass relations can be described by double power laws with redshift-dependent log normal scatter. The model parameters are then derived by fitting to the state of the art semi-analytic simulation results that have successfully reproduced multiple sub-millimeter line observations at $0\leq z\lesssim6$. We cross check the line emission statistics predicted by the semi-analytic simulation and our empirical model, finding that at $z\geq1$ our model reproduces the simulated line intensities with fractional error less than about 10%. The fractional difference is less than 25% for the power spectra. Grounded on physically-motivated and self-consistent galaxy simulations, this computationally efficient model will be helpful in forecasting ISM emission line statistics for upcoming LIM surveys.

研究动机与目标

• 开发一种物理解释性强、计算高效的多线亚毫米发射模型，适用于高红移宇宙时期。
• 在红移范围 1 ≤ z ≤ 9 内，同时预测 [C II]、CO 和 [C I] 线的平均光度、散布及相关性。
• 利用最先进的半解析模拟对模型进行校准，以重现低红移观测结果。
• 为即将开展的高分辨率巡天提供线强度测绘（LIM）结果的准确预测。
• 通过提供自洽的多线框架，解决 LIM 中混淆线和污染的挑战。

提出的方法

• 模型假设线 luminosity 与暗物质晕质量之间存在双幂律关系，其归一化参数随红移变化，并引入对数正态散布。
• 通过拟合成功重现 z ≤ 6 观测线强度的亚毫米波段半解析模型（sub-mm SAM）结果来确定模型参数。
• 模型纳入了光度-晕质量关系的红移演化，并通过对数正态分布处理散布。
• 不同线 luminosity 之间的相关性通过模拟校准中 luminosity 的联合分布推导得出。
• 利用误差度量在红移范围内对模型在模拟线强度和功率谱上的表现进行验证。
• 该框架设计为可扩展且高效，适用于 LIM 巡天实验的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个统一的、物理解释性强的模型，以预测 1 ≤ z ≤ 9 范围内 [C II]、CO 和 [C I] 发射的平均值、散布及相关性？
• RQ2 该模型在多大程度上能重现高保真度星系模拟中的线强度和功率谱？
• RQ3 与独立模拟（如 EGG）相比，该模型预测的线相关性（如 [C II]–CO、CO–[C I]）有何异同？
• RQ4 高红移星系特性（如紧凑性、高 SFR 表面密度）对预测的线发射和相关性有何影响？
• RQ5 在存在混淆线干扰的情况下，该模型能否作为未来线强度测绘巡天的可靠预测工具？

主要发现

• 在 1 ≤ z ≤ 9 范围内，该模型对模拟线强度的分数误差小于 10%。
• 预测的功率谱与模拟结果相比，分数差异小于 25%。
• 由于致密分子云中电离程度增加，模型预测在 z ≳ 4 时 CO–[C I] 相关性下降，导致发射变弱，甚至可能出现负相关。
• 与 EGG 模拟相比，该模型预测的 [C II]–CO 和 [C II]–[C I] 相关系数更高，可能源于对分子云性质假设的差异以及缺乏电离气体建模。
• 该模型成功重现了 z ≤ 6 时 [C II]、CO 和 [C I] 的观测标度关系，验证了其与当前观测的一致性。
• 尽管未解析单个星系或区分中心/卫星星系，该框架在计算上高效，适用于线强度测绘巡天的预测。