[论文解读] Evolution of the Milky Way in Semi-Analytic Models: Detecting Cold Gas at z=3 with ALMA and SKA

Danail Obreschkow, Ian Heywood+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用 10

一句话总结

本研究利用S3-SAX半解析星系模型，预测ALMA与SKA在z=3红移下探测银河系前体星系冷气体的能力。结果表明，ALMA在24小时内可探测约50%的MW前体星系的CO(3–2)发射线，而SKA高频阵列则能通过CO(1–0)探测几乎所有此类星系，使其在盲巡天中表现更优；尽管SKA-Low对单个MW类星系的HI探测仍不可行。

ABSTRACT

We forecast the abilities of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Square Kilometer Array (SKA) to detect CO and HI emission lines in galaxies at redshift z=3. A particular focus is set on Milky Way (MW) progenitors at z=3 for their detection within 24 h constitutes a key science goal of ALMA. The analysis relies on a semi-analytic model, which permits the construction of a MW progenitor sample by backtracking the cosmic history of all simulated present-day galaxies similar to the real MW. Results: (i) ALMA can best observe a MW at z=3 by looking at CO(3-2) emission. The probability of detecting a random model MW at 3-sigma in 24 h using 75 km/s channels is roughly 50%, and these odds can be increased by co-adding the CO(3-2) and CO(4-3) lines. These lines fall into ALMA band 3, which therefore represents the optimal choice towards MW detections at z=3. (ii) Higher CO transitions contained in the ALMA bands geq6 will be invisible, unless the considered MW progenitor coincidentally hosts a major starburst or an active black hole. (iii) The high-frequency array of SKA, fitted with 28.8 GHz receivers, would be a powerful instrument for observing CO(1-0) at z=3, able to detect nearly all simulated MWs in 24 h. (iv) HI detections in MWs at z=3 using the low-frequency array of SKA will be impossible in any reasonable observing time. (v) SKA will nonetheless be a supreme ha survey instrument through its enormous instantaneous field-of-view (FoV). A one year pointed HI survey with an assumed FoV of 410 sqdeg would reveal at least 10^5 galaxies at z=2.95-3.05. (vi) If the positions and redshifts of those galaxies are known from an optical/infrared spectroscopic survey, stacking allows the detection of HI at z=3 in less than 24 h.

研究动机与目标

• 评估利用ALMA与SKA探测z=3红移下银河系前体星系中冷气体（CO与HI）的可检测性。
• 评估ALMA科学目标的可行性：在24小时内探测z=3红移下类似银河系星系的CO或CII发射线。
• 比较ALMA与SKA在高红移星系目标搜寻与盲巡天中的性能表现。
• 确定探测遥远星系中分子与原子气体的最优观测波段与策略。
• 为未来冷气体巡天与宇宙学模拟之间的比较提供统计框架。

提出的方法

• S3-SAX半解析模型模拟了星系（包括MW类系统）从z=3回溯至早期宇宙的HI与H2演化过程。
• 基于模型中的恒星形成历史与金属丰度历史，推导出星系的CO光度与HI质量。
• 利用仪器规格（如频率波段、 beam大小、积分时间与灵敏度曲线）对ALMA与SKA的观测条件进行建模。
• 通过24小时积分下3σ显著性水平的信噪比（S/N）计算检测概率。
• 评估了当源位置与红移已知时，利用光学/红外巡天先验信息进行HI探测的堆叠技术。
• 在不同频率波段与观测模式（如SKA-HF、SKA-LF、SKA-MF）下，比较ALMA与SKA的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ALMA能否在24小时观测时间内探测到z=3红移下银河系前体星系的CO(3–2)发射线？
• RQ2 ALMA与SKA在z=3红移下探测CO与HI谱线的性能如何比较？
• RQ3 探测高红移MW类星系中冷气体的最优观测波段与谱线跃迁为何？
• RQ4 若已知源位置，堆叠技术能否使SKA在z=3红移下实现对MW前体星系的HI探测？
• RQ5 SKA-Low在z=3红移下盲HI巡天中可探测多少星系？与ALMA的CO巡天能力相比如何？

主要发现

• ALMA在24小时内以约50%的概率探测到z=3红移下银河系前体星系的CO(3–2)发射线，使用75 km s⁻¹通道宽度。
• 将CO(3–2)与CO(4–3)线叠加可提高检测概率，ALMA第3波段对z=3红移下MW类星系的探测最为理想。
• 更高阶CO跃迁（波段≥6）在ALMA上不可探测，除非星系存在星暴或活动星系核。
• SKA的高频阵列（SKA-HF）由于其收集面积大1000倍且视场更宽，可在24小时内探测几乎所有模拟的MW前体星系的CO(1–0)发射线。
• SKA-Low对单个z=3红移MW前体星系的HI探测不可行，需超过40,000小时积分时间才能实现3σ检测。
• SKA-Low以410 deg²视场进行为期一年的指向式HI巡天，可探测至少10⁵个红移z=2.95–3.05的星系，远超ALMA的CO巡天能力。