[论文解读] CO line emission from Lyman Break Galaxies. Cosmological simulations and predictions for ALMA

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

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用 8

一句话总结

本研究利用宇宙学流体动力学模拟，预测红移z~3时亚L*的莱曼断裂星系的CO谱线辐射，评估ALMA在探测动力学质量方面的可检测性与可靠性。结果表明，CO谱线轮廓对超新星反馈具有鲁棒性，但ALMA的探测能力强烈依赖于倾角，限制了典型高红移星系在准确测量动力学质量和谱线特性方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 利用宇宙学模拟预测z~3亚L*莱曼断裂星系的CO谱线辐射特性。
• 评估ALMA在典型高红移星系中探测CO的灵敏度与分辨率极限。
• 评估超新星反馈是否显著扭曲CO谱线轮廓并损害CO作为动力学质量示踪剂的可靠性。
• 确定倾角与观测分辨率如何影响基于CO的动力学质量估计的可靠性。
• 为未来ALMA对高红移原星系的观测提供理论框架。

提出的方法

• 使用包含自洽的重子物理过程（包括恒星形成与超新星反馈）的宇宙学N体/流体动力学TreeSPH代码，模拟一个z~3莱曼断裂星系前身体。
• 基于模拟的分子气体分布，计算CO跃迁（如CO 3–2, 4–3）的CO亮度图与谱线轮廓。
• 施加类似ALMA的观测约束：0.1''角分辨率、108 GHz中心频率，以及24小时积分时间，结合ALMA灵敏度计算器得出的真实热噪声（均方根）。
• 对不同视线方向的CO线宽与空间扩展，使用盘面公式（Bryant & Scoville 1996）进行动力学质量估算。
• 将模拟的CO谱线轮廓与亮度与两个已知z~3 LBG（cB58与J2135）的观测值进行比较，以验证预测的可靠性。
• 分析倾角对CO线宽、流量与可检测性的影响，并量化动力学质量估算中的误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实灵敏度与分辨率条件下，ALMA对z~3亚L*莱曼断裂星系的CO辐射探测精度如何？
• RQ2 超新星反馈在多大程度上改变CO谱线轮廓，并损害CO作为高红移星系中动力学质量示踪剂的可靠性？
• RQ3 星系的倾角在多大程度上影响ALMA观测中CO辐射的可检测性与测量特性？
• RQ4 模拟的CO线宽与亮度与已知z~3 LBG（如cB58与J2135）的观测值相比如何？
• RQ5 尽管空间与谱线分辨率有限，CO辐射能否可靠地示踪高红移星系中的总气体质量与动力学质量？

主要发现

• 模拟的z~3 LBG中CO谱线轮廓与cB58与J2135的观测值一致，验证了模拟的预测能力。
• 超新星反馈在分子ISM中形成空腔，但并未显著改变CO谱线轮廓，表明CO仍是鲁棒的动力学质量示踪剂。
• 当星系正面朝向且处于峰值亮度时，ALMA仅能在4σ水平探测到模拟系统的CO辐射，凸显强烈的倾角依赖性。
• 不同倾角下CO总亮度变化小于30%，表明CO是总气体质量的可靠示踪剂，与视线方向无关。
• 对于面朝向系统，基于CO线宽推导的动力学质量误差在20%以内；但当两个并合组分在视线方向重叠时，误差上升至50%。
• 对z~3亚L* LBG的ALMA观测可能仅限于探测性实验，灵敏度不足以精确解析CO尺寸或约束线型形状。