[论文解读] Mapping Large-Scale-Structure Evolution over Cosmic Times

Marta B. Silva, Ely D. Kovetz+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 87被引用 2

一句话总结

该论文提出一项基于空间的使命，针对100–2000 GHz频段，通过在宇宙时空中对[CII]和CO发射线进行线强度映射（LIM），绘制大尺度结构。通过实现高灵敏度、大范围的断层扫描调查，该任务将对宇宙学参数、恒星形成历史和星系演化提供具有竞争力的约束，其中在再电离时期[CII]的信噪比超过10，低J阶CO线的信噪比约为50。

ABSTRACT

This paper outlines the science case for line-intensity mapping with a space-borne instrument targeting the sub-millimeter (microwaves) to the far-infrared (FIR) wavelength range. Our goal is to observe and characterize the large-scale structure in the Universe from present times to the high redshift Epoch of Reionization. This is essential to constrain the cosmology of our Universe and form a better understanding of various mechanisms that drive galaxy formation and evolution. We argue that the proposed frequency range would make it possible to probe important metal cooling lines such as [CII] up to very high redshift as well as a large number of rotational lines of the CO molecule. These can be used to trace molecular gas and dust evolution and constrain the buildup in both the cosmic star formation rate density and the cosmic infrared background (CIB). Moreover, surveys at the highest frequencies will detect FIR lines which are used as diagnostics of galaxies and AGN. Tomography of these lines over a wide redshift range will enable invaluable measurements of the cosmic expansion history at epochs inaccessible to other methods, competitive constraints on the parameters of the standard model of cosmology, and numerous tests of dark matter, dark energy, modified gravity and inflation. To reach these goals, large-scale structure must be mapped over a wide range in frequency to trace its time evolution over a reasonable fraction of the volume of the observable Universe. In addition, the surveyed area needs to be very large to beat cosmic variance and to probe the largest scales where its easier to separate the astrophysical and cosmological contributions to the observed signal. Only, a space-borne mission can properly meet these requirements.

研究动机与目标

• 实现从红移z ≈ 3到z ≈ 9的高灵敏度、大范围断层扫描，绘制大尺度结构。
• 利用[CII]和CO线强度涨落探测宇宙恒星形成历史与星系演化。
• 约束基础宇宙学，包括暗能量、暗物质以及原初非高斯性。
• 通过探测地面望远镜和宇宙微波背景（CMB）观测无法触及的可观测宇宙80%区域，克服现有观测的局限性。
• 通过填补亚毫米波至远红外波段的空白，成为现有与未来LIM任务（特别是COMAP和OST）之间的关键桥梁。

提出的方法

• 提出一种覆盖100–2000 GHz频段的星载仪器，用于观测宇宙时空中红移后的[CII]和CO转动能级跃迁线。
• 利用空间功率谱与交叉相关技术，从大尺度巡天中提取聚集与强度涨落信号。
• 应用断层分析方法，将线强度涨落作为红移的函数进行映射，追踪宇宙约60%历史中结构的演化。
• 利用低角分辨率需求实现全天覆盖，并最小化宇宙方差影响。
• 整合多尺度模拟，以在从矮星系到Gpc尺度的结构范围内，建模星系发射、星际介质（ISM）物理与线光度函数。
• 通过与其他巡天的交叉相关及前景污染消除技术，分离出具有宇宙学意义的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于空间的LIM任务能否在再电离时期（z ≈ 9）实现[CII]强度映射的信噪比 > 10？
• RQ2 在深空巡天中，低J阶CO线（如J=4–3）与高J阶CO线的可实现信噪比是多少？
• RQ3 LIM测量的[CII]/CO比值在多大程度上可提升对尘埃包裹恒星形成率密度的约束，超越现有巡天能力？
• RQ4 基于LIM的BAO测量在3 < z < 9红移区间内，能在多大程度上约束宇宙膨胀历史，缓解哈勃张力？
• RQ5 LIM巡天能否以信噪比 ≲ 10检测并表征FIR谱线（如[OIII]和[NII]），从而支持活动星系核（AGN）与星系反馈研究？

主要发现

• 所提出的任务在再电离时期对[CII]强度映射实现了信噪比 > 10，可稳健探测宇宙黎明时期的发射。
• 低J阶CO线（如J=4–3）的信噪比可达 ≈ 50，可精确追踪分子气体的演化。
• 高J阶CO线的信噪比约为 ≈ 10，可支持对高红移致密、恒星形成区的研究。
• FIR诊断谱线（如[OIII]和[NII]）的信噪比 ≲ 10，支持对活动星系核与星系反馈的研究。
• 基于LIM的BAO测量可约束红移范围3 < z ≲ 9内的宇宙膨胀历史，填补本地测量与CMB测量之间的空白。
• 该任务可对ΛCDM模型的拓展提供具有竞争力的约束，包括原初非高斯性的σ(fNL) < 1、中微子质量总和以及有效相对论自由度。