[论文解读] Measuring energy production in the Universe over all wavelengths and all time

Simon P. Driver|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一套统一框架，通过建模全波长和宇宙时空中能量的产生，利用积分星系计数和尘埃再辐射模型来测量宇宙光谱能量分布（CSED）。该方法在紫外至亚毫米波段对河外背景光（EBL）的预测精度达到约30%，未来设施有望实现1%的精度，并可对恒星形成与活动星系核（AGN）演化进行可证伪的检验。

ABSTRACT

The study of the extragalactic background light (EBL) is undergoing a renaissance. New results from very high energy experiments and deep space missions have broken the deadlock between the contradictory measurements in the optical and near-IR arising from direct versus discrete source estimates. We are also seeing advances in our ability to model the EBL from gamma-ray to radio wavelengths with improved dust models and AGN handling. With the advent of deep and wide spectroscopic and photometric redshift surveys, we can now subdivide the EBL into redshift intervals. This allows for the recovery of the Cosmic Spectral Energy Distribution (CSED), or emissivity of a representative portion of the Universe, at any time. With new facilities coming online, and more unified studies underway from gamma-ray to radio wavelengths, it will soon be possible to measure the EBL to within 1 per cent accuracy. At this level correct modelling of reionisation, awareness of missing populations or light, radiation from the intra-cluster and halo gas, and any signal from decaying dark-matter all become important. In due course, the goal is to measure and explain the origin of all photons incident on the Earth's surface from the extragalactic domain, and within which is encoded the entire history of energy production in our Universe.

研究动机与目标

• 解决长期以来直接测量与积分星系计数法在宇宙光学与红外背景（COB/CIB）测量之间的差异问题。
• 使用一致的物理假设，从伽马射线到射电波段建模完整的河外背景光（EBL）。
• 通过时间分辨的方式，重建宇宙光谱能量分布（CSED），以追踪宇宙历史中能量的产生。
• 通过与未来高精度数据对比，实现对恒星形成历史、尘埃模型和AGN贡献的可证伪检验。
• 为利用未来多波段巡天实现对地球接收到的所有河外光子通量1%精度的测量奠定基础。

提出的方法

• 利用积分星系计数（IGL-EBL）和直接背景测量（direct-EBL）约束紫外至亚毫米波段的EBL。
• 采用一致的物理模型，包括Chabrier初始质量函数（IMF）、Dale等人（2019）的尘埃消光模型，以及与恒星形成历史一致的金属度演化。
• 对星光的尘埃再辐射过程进行建模，约50%的初始光子被重新辐射至亚毫米波段，与观测约束一致。
• 通过将EBL按红移区间划分，构建宇宙光谱能量分布（CSED），实现对能量产生过程的时间分辨追踪。
• 利用深度光谱红移与测光红移巡天（如DEVILS、WAVES、MOONS、PFS）将EBL分解为十亿年时间切片。
• 结合X射线与射电数据在星系位置的堆叠分析，探测X射线与射电波段的弥散贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一个物理解释一致的模型，调和直接测量与积分星系计数法在COB/CIB测量中的差异？
• RQ2 在当前数据和改进的尘埃与AGN物理模型下，能否对从紫外到射电波段的完整EBL进行建模？
• RQ3 宇宙光谱能量分布（CSED）的重建精度如何，能否准确追踪不同宇宙时空中能量的产生？
• RQ4 在亚1%测量精度下，缺失星系群体、星系团内气体或衰变暗物质在塑造EBL中扮演何种角色？
• RQ5 未来巡天（如JWST、Euclid、LSST、eROSITA、CTA）能否实现从紫外到中红外波段EBL测量的1%精度？

主要发现

• 该模型在光学至亚毫米波段对观测到的COB与CIB的再现精度在约30%以内，与测量不确定度相当。
• 在宇宙年龄约75亿年时，宇宙光谱能量分布（CSED）显示能量产生主要由无遮挡与遮挡的AGN及盘状成分主导。
• 仅基于宇宙恒星形成历史以及对尘埃与IMF的基本假设，该模型成功预测了当前的EBL。
• 未来巡天如HST SkySURF、VST KiDS、VISTA VIKING与DEVILS可实现紫外至近红外波段EBL约3%的测量精度。
• 深度光谱巡天与改进的射电和X射线堆叠技术相结合，将使CSED测量延伸至X射电与射电波段。
• 借助Messier、Euclid、Roman与LSST等未来设施，未来十年内有望实现对紫外至中红外波段EBL的1%精度约束。