[论文解读] Prospects for Observing the Cosmic Web in Lyman-α Emission

Joris Witstok, Ewald Puchwein+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用宇宙学流体动力学模拟，模拟大尺度结构丝状物中际介质的莱曼-α发射，发现低密度区域的发射主要由复合过程主导，而高密度区域则主要由碰撞激发主导。直接探测丝状物气体需要未来ELT/MUSE类仪器进行极长曝光，高红移原星系团因对比度更高且背景方差更低，提供了最佳观测前景。

ABSTRACT

Mapping the intergalactic medium (IGM) in Lyman-α emission would yield unprecedented tomographic information on the large- scale distribution of baryons and potentially provide new constraints on the UV background and various feedback processes relevant to galaxy formation. Here, we use a cosmological hydrodynamical simulation to examine the Lyman-α emission of the IGM due to collisional excitations and recombinations in the presence of a UV background. We focus on gas in large-scale-structure filaments in which Lyman-α radiative transfer effects are expected to be moderate. At low density the emission is primarily due to fluorescent re-emission of the ionising UV background due to recombinations, while collisional excitations dominate at higher densities. We discuss prospects of current and future observational facilities to detect this emission and find that the emission of filaments of the cosmic web will typically be dominated by the halos and galaxies embedded in them, rather than by the lower density filament gas outside halos. Detecting filament gas directly would require a very long exposure with a MUSE-like instrument on the ELT. Our most robust predictions that act as lower limits indicate this would be slightly less challenging at lower redshifts (z 􏰄 4). We also find that there is a large amount of variance between fields in our mock observations. High-redshift protoclusters appear to be the most promising environment to observe the filamentary IGM in Lyman-α emission.

研究动机与目标

• 评估观测大尺度结构丝状物中际介质莱曼-α发射的可行性。
• 确定低密度与高密度际介质区域中主导莱曼-α发射的物理机制。
• 评估当前及未来设施探测丝状际介质发射的观测前景。
• 识别在何种环境中，丝状物气体发射最可能在星系和星系晕污染之上被探测到。

提出的方法

• 利用宇宙学流体动力学模拟，模拟大尺度结构丝状物中际介质的物理条件。
• 应用辐射转移计算，评估在紫外背景存在下，通过碰撞激发和复合产生的莱曼-α发射。
• 生成模拟观测，以模拟仪器响应，考虑光束弥散和噪声，使用类似MUSE的光谱分辨率和灵敏度。
• 将发射分解为星系晕外丝状物气体与嵌入星系及星系晕的贡献，以评估可探测性。
• 对不同场进行方差的统计分析，以评估可探测信号的场间波动。
• 进行红移相关的比较，尤其关注z ≲ 4的区域，以评估观测挑战随宇宙时间的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙网丝状物的低密度与高密度区域中，主导莱曼-α发射的物理过程是什么？
• RQ2 紫外背景如何影响复合与碰撞激发对莱曼-α发射的相对贡献？
• RQ3 在当前及未来的观测中，丝状物气体发射在多大程度上被嵌入星系和星系晕的光所掩盖？
• RQ4 需要多长的曝光时间及何种仪器能力，才能探测到丝状物气体的微弱莱曼-α发射？
• RQ5 在何种天体物理环境（如高红移原星系团）中，丝状际介质发射最可能被观测到？

主要发现

• 在低密度区域，丝状物中的莱曼-α发射主要源于紫外背景激发的电离氢复合后产生的荧光再发射。
• 在较高密度区域，碰撞激发成为莱曼-α发射的主要来源，超过复合驱动的发射。
• 星系晕外丝状物气体的发射通常被嵌入星系和星系晕的光所掩盖，使得直接探测极为困难。
• 使用极大望远镜（ELT）上的类似MUSE的仪器直接探测丝状物气体，需要长达数百小时的曝光时间。
• 较低红移（z ≲ 4）的条件略为有利，因为背景方差较小且紫外背景强度较低。
• 高红移原星系团作为观测丝状际介质发射的最理想环境脱颖而出，因其对比度更高且场间方差更低。