[论文解读] Extragalactic Science with the Experiment for Cryogenic Large-aperture Intensity Mapping

Anthony R. Pullen, Patrick C. Breysse+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Superconducting and THz Device Technology被引用 4

一句话总结

本文预测了EXCLAIM（一种搭载于高空气球的低温大口径望远镜）在宇宙学尺度上探测星系外[ CII ]和CO谱线的潜力，该望远镜通过线强度映射（LIM）技术对红移z=2.5–3.5的[ CII ]线和红移z<1的CO谱线进行巡天。结果表明，EXCLAIM将能以高显著性检测到[ CII ]-类星体交叉功率谱与条件体素强度分布，从而对z≈2.7时[ CII ]晕的光度-质量关系及恒星形成率密度（SFRD）施加约束，信噪比约为4。

ABSTRACT

The EXperiment for Cryogenic Large-Aperture Intensity Mapping (EXCLAIM) is a balloon-borne cryogenic telescope that will survey the spectrum of diffuse emission from both the Milky Way and the cosmic web to probe star formation, the interstellar medium, and galaxy evolution across cosmic time. EXCLAIM's primary extragalactic science survey maps 305 deg$^2$ along the celestial equator with an R=512 spectrometer over the frequency range ν=420-540 GHz, targeting emission of the [CII] line over redshifts 2.5

研究动机与目标

• 预测EXperiment for Cryogenic Large-aperture Intensity Mapping（EXCLAIM）在宇宙时空中对星系外[ CII ]和CO谱线发射的探测灵敏度。
• 评估EXCLAIM在文献中关于[ CII ]强度与CO发射的多种竞争模型之间进行区分的能力。
• 证明联合测量交叉功率谱与条件体素强度分布（CVID）可对[ CII ]光度-质量关系及恒星形成率密度（SFRD）施加约束。
• 评估EXCLAIM在z≈2.7时探测[ CII ]功率谱中重子声学振荡（BAO）特征的潜力，以实现H(z)测量。
• 确立EXCLAIM作为未来空间与气球载波LIM任务在宇宙学与星系演化科学领域的先导项目。

提出的方法

• EXCLAIM利用搭载于高空气球的低温大口径望远镜，在天赤道方向对305 deg²的天区进行亚毫米波弥漫发射的映射。
• 该仪器使用高分辨率光谱仪（R=512），覆盖420–540 GHz频段，以探测红移z=2.5–3.5的[ CII ] 158 μm谱线及红移z<1的CO转动谱线（J=4–7）。
• 通过将EXCLAIM的强度图与外部类星体和星系红移星表进行交叉相关，可分离出目标红移处大尺度结构的谱线发射。
• 通过引入真实的噪声、谱线混淆源及连续谱前景，利用交叉功率谱与条件体素强度分布（CVID）生成统计预测。
• 将[ CII ]强度模型代入功率谱与CVID预测中，以推导对[ CII ]光度-质量关系及SFRD的约束。
• 通过建模不同CO跃迁的发射并比较文献中各模型的预测信噪比，得出CO的灵敏度估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多种[ CII ]强度模型下，EXCLAIM是否能以高显著性在z≈3处检测到[ CII ]-类星体交叉功率谱？
• RQ2 EXCLAIM是否能以高精度测量z≈2.7处[ CII ]发射的条件体素强度分布（CVID）？
• RQ3 联合使用交叉功率谱与CVID预测，能在多大程度上区分文献中关于[ CII ]光度-质量关系的多种竞争模型？
• RQ4 EXCLAIM在z≈2.7处对[ CII ]发射测量恒星形成率密度（SFRD）的预期信噪比（SNR）是多少？
• RQ5 EXCLAIM是否能探测到z≈2.7处[ CII ]功率谱中的重子声学振荡（BAO）特征？其对H(z)测量的灵敏度如何？

主要发现

• 根据[ CII ]强度模型的不同，EXCLAIM在z≈2.7处对[ CII ]-类星体交叉功率谱的信噪比（SNR）预计为7–11，具有高显著性。
• EXCLAIM能够以高精度测量[ CII ]发射的条件体素强度分布（CVID），从而对[ CII ]发射模型施加稳健约束。
• 联合使用交叉功率谱与CVID预测，EXCLAIM将能以高保真度约束[ CII ]光度-质量关系$L_{\mathrm{[CII]}}(M)$。
• EXCLAIM预计在z≈2.7处以约4的信噪比测量恒星形成率密度（SFRD），该测量为全局性测量，包含未被探测到的暗淡星系。
• 在z≈2.7处，[ CII ]功率谱预计表现出可探测的重子声学振荡（BAO）特征，信噪比范围为7–11，从而可实现该红移处的H(z)测量。
• EXCLAIM的LIM测量对[ CII ]总强度幅度的不确定性不敏感，因为BAO尺度与功率谱幅度无关，使H(z)测量结果具有鲁棒性。