[论文解读] CO lines in high redshift galaxies: perspective for future mm instruments

F. Combes, Maoli, R.+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 9

一句话总结

本文通过建模红移 z > 2 的高红移星暴星系的 CO 轮转发射线，预测未来亚毫米波和毫米波仪器的可探测性。基于早期探测的实证约束，估算所有转动 CO 跃迁的通量，表明高-J 线（J ≥ 6）因更高激发态而具有增强的可探测性，尽管尘埃连续谱发射仍更明亮。本研究为 ALMA 和赫歇尔等未来天文台提供了预测。

ABSTRACT

Nearly 10 high redshift (z>2) starburst galaxies have recently been detected in the CO lines, revealing the early presence in the universe of objects with large amounts of already-enriched molecular gas. The latter has sufficient density to be excited in the high-level rotational CO lines, which yield more flux, making easier high-redshift detections; however the effect is not as strong as for the sub-millimeter and far-infrared dust continuum emission. With the help of simple galaxy models, based on these first detections, we estimate the flux in all CO lines expected for such starbursting objects at various redshifts. We discuss the detection perspectives with the future millimeter instruments.

研究动机与目标

• 评估使用下一代毫米波仪器探测高红移（z > 2）星暴星系中 CO 发射线的可能性。
• 基于早期高红移探测的观测特性，建模 CO 转动跃迁（J 最高至 10）的光度与通量。
• 比较这些系统中 CO 线与亚毫米波尘埃连续谱发射的可探测性。
• 为下一代毫米/亚毫米望远镜（如 ALMA 和赫歇尔）的未来观测计划提供预测。
• 量化尽管总光度低于尘埃发射，高-J CO 线激发态对探测前景的影响。

提出的方法

• 基于前 10 个已知高红移星暴星系（z > 2）的物理特性构建简单星系模型，这些星系是最早在 CO 中被探测到的。
• 利用观测到的 CO 线光度与气体激发条件，外推所有转动跃迁（J = 1–10）的通量。
• 应用辐射转移模型估算每条 CO 跃迁的亮度温度与线通量，考虑临界密度与临界光度阈值。
• 将预测的 CO 线通量与 ALMA 和赫歇尔等未来仪器的预期灵敏度进行比较，使用积分时间与波束尺寸估算。
• 考虑波束稀释与红移演化对可探测性的影响，特别是对高-J 线的影响。
• 通过比较各波段的信噪比，评估 CO 线与远红外/亚毫米波尘埃连续谱的相对可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z > 2 的高红移星暴星系中，CO 转动线（J = 1 至 10）的预期通量水平是多少？
• RQ2 CO 线激发态（尤其是高-J 跃迁）如何影响其在下一代毫米/亚毫米仪器中的可探测性？
• RQ3 这些星系中 CO 线通量与远红外及亚毫米波尘埃连续谱发射相比，强度如何？
• RQ4 使用 ALMA 等未来望远镜探测 CO 线的最佳红移与跃迁组合是什么？
• RQ5 波束稀释与仪器灵敏度在多大程度上限制了高红移源中高-J CO 线的探测？

主要发现

• 高-J CO 跃迁（J ≥ 6）由于更高激发态，其通量显著高于低-J 线，尽管总光度较低，但探测性得以提升。
• J = 6–10 的预测 CO 线通量足够强，可在 z ≈ 3–6 的红移下被 ALMA 和赫歇尔探测到，尤其在紧凑、高表面亮度源中。
• CO(6–5) 和 CO(7–6) 线预计最具探测前景，因其在毫米/亚毫米窗口中兼具高激发态与有利的频率位置。
• 尽管 CO 线发射可探测，但亚毫米波尘埃连续谱发射在大多数情况下仍更明亮，因而更容易探测。
• 本研究预测，具有高灵敏度与角分辨率（如 ALMA）的未来仪器将能够对高红移星系中的 CO 进行系统性普查。
• 该模型预测，分子气体质量 ≥ 10^10 M☉ 且恒星形成率高的星系中，CO 线探测是可行的，与观测到的星暴系统一致。