[论文解读] Prospects for detecting CII emission during the Epoch of Reionization

Marta B. Silva, Mário G. Santos+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Spectroscopy and Laser Applications被引用 9

一句话总结

本文提出利用200–300 GHz频段的CII强度映射探测再电离时期（EoR），模拟红移z ≈ 5.3–8.5范围内的CII与CO前景发射。研究发现，通过掩蔽明亮的CO发射星系（z < 2.5，信噪比S/N > 5×10⁻²² W m⁻²），可将CO污染（I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹）降低至可检测CII信号（I_CII ≈ 4×10² Jy sr⁻¹）的水平，从而实现与21 cm数据的交叉相关，独立约束再电离过程。

ABSTRACT

We produce simulations of emission of the atomic CII line in large sky fields in order to determine the current prospects for mapping this line during the high redshift Epoch of Reionization. We estimate the CII line intensity, redshift evolution and spatial fluctuations using observational relations between CII emission and the SFR in a galaxy for the frequency range of 200 GHz to 300 GHz. We obtained a frequency averaged intensity of CII emission of ${ m I_{ m CII}=(4 \pm 2) imes10^{2}\, Jy\, m sr^{-1}}$ in the redshift range $z\, \sim\, 5.3\, -\, 8.5$. Observations of CII emission in this frequency range will suffer contamination from emission lines at lower redshifts, in particular from the CO rotation lines. For the relevant frequency range we estimated the CO contamination (originated in emission from galaxies at $z\,

研究动机与目标

• 评估利用强度映射技术探测再电离时期CII发射的可行性。
• 量化并缓解CII观测中来自CO转动线及其他前景源的污染。
• 制定利用星系巡天与掩蔽策略进行前景去除的方案，以保留CII信号。
• 评估CII与21 cm图谱交叉相关以独立约束再电离过程的潜力。
• 估算预期的CII功率谱及其在当前与未来实验中的可探测性。

提出的方法

• 利用CII光度与恒星形成率（SFR）之间的观测关系，模拟红移z ≈ 5.3–8.5范围内的大尺度CII与CO发射图。
• 采用两种独立方法：(1) 基于CO跃迁光度的拟合星系星表（SAX-Sky），(2) 基于红外光度函数与观测比例关系估算CO强度。
• 建模光锥效应与角分辨率，生成具有频率与角度依赖性的现实强度图。
• 估算来自CO（I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹）及其他来源（如尘埃、自由-自由辐射，约10⁵ Jy sr⁻¹）的前景污染，其在频率上呈平滑分布，因此可通过光谱拟合去除。
• 提出针对CO(J:2–1)至CO(J:6–5)通量 > 5×10⁻²² W m⁻²或AB星等m_K < 22的星系实施掩蔽的策略，以减少CO污染。
• 评估CII与CO线之间交叉相关技术，以估算并去除残留前景污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 在再电离时期（z ≈ 5.3–8.5）CII发射的预期强度与空间功率谱为何？
• RQ2 在200–300 GHz频段的CII强度映射中，CO转动线发射作为前景污染的严重程度如何？
• RQ3 对明亮CO发射星系进行掩蔽是否能有效减少前景污染，同时不破坏CII信号？
• RQ4 CII与CO图谱之间的交叉相关能在多大程度上估算并去除残留前景污染？
• RQ5 CII强度映射如何与21 cm测量互补，以更好地探测再电离过程？

主要发现

• 在红移范围z ≈ 5.3–8.5内，CII平均强度估计为(4 ± 2) × 10² Jy sr⁻¹，其范围在10²至10³ Jy sr⁻¹之间，具体取决于恒星形成率密度（SFRD）。
• z < 2.5的星系CO发射贡献了显著的前景污染，强度I_CO ≈ 10³ Jy sr⁻¹，主要由明亮源主导。
• 对CO通量 > 5×10⁻²² W m⁻²或AB星等m_K < 22的星系实施掩蔽，可有效降低CO污染，同时保留CII信号。
• 连续谱前景污染（如尘埃、自由-自由辐射）估计约为~10⁵ Jy sr⁻¹，但其在频率上呈平滑分布，因此可通过光谱拟合去除。
• CII与CO强度图谱的交叉相关可用于估算并减去残留前景污染，即使掩蔽措施不足亦可实现。
• 预计CII与21 cm信号将显著呈负相关，从而实现对前景污染高度免疫的稳健交叉相关测量，为再电离过程提供独立探测手段。