[论文解读] Synergies between the COMAP CO Line Intensity Mapping mission and a Lyα galaxy survey: How to probe the early universe with voxel based analysis of observational data

Marta B. Silva, Bernhard Baumschlager+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于体素的COMAP CO线强度映射数据与HETDEX Lyα星系巡天相结合的分析方法，以增强对高红移分子气体的探测与解读。通过利用星系巡天数据进行掩蔽、叠加和解释CO发射，该方法将CO(1-0)探测灵敏度提升了2–3倍，实现了对CO演化在红移上的分辨探测，并在z∼6处对CO(2-1)发射设定了6σ的上限，灵敏度达0.05 μK。

ABSTRACT

Line Intensity Mapping (LIM) offers a novel avenue to observe and characterize our universe. LIM data of CO spectral lines are becoming available, such as those obtained by the CO Mapping Array Project (COMAP). COMAP data can be used to probe the molecular gas content of the universe from the last stages of the Epoch of Reionization (EoR) ($z < 8.0$) to $z \sim 2.5$. In this work, we examine the prospects for deriving voxel-level statistical constraints on high-redshift galaxies from COMAP data by considering the additional information available from observations of LAEs galaxies using the Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS) on the Hobby-Eberly Telescope (HET). We post-process the IllustrisTNG300 galaxy-formation simulation with a set of prescriptions to consistently determine CO and Ly$α$ line luminosities. The different line prescriptions span the uncertainty in the CO line luminosity according to current observations by the VLA high-z CO surveys and set the Ly$α$ emission to be compatible with observational LAE luminosity functions. We produce mock observations for the two surveys over a $(300\, { m Mpc})^3$ volume. These are then used to formulate and test methodologies for data analysis and to predict COMAP constraints on CO emission. We use combinations of masking, stacking, voxel intensity distribution (VID), and other statistics. We find that in combination with VIRUS/HET, a voxel-level analysis of the COMAP Pathfinder survey can detect and characterize the CO signal from $z\sim3$ and improve current constraints on the $z\sim6$ signal, identify individual voxels with bright CO(1-0) emission at $z\sim3$ and probe the redshift evolution of the CO emission. This study illustrates the potential of synergies between LIM and galaxy surveys both to improve the significance of a detection and to aid the interpretation of noisy LIM data.

研究动机与目标

• 通过将线强度映射（LIM）与星系巡天相结合，克服星系巡天中存在偏差的局限，实现对高红移分子气体的无偏、大范围观测。
• 通过利用外部星系星表提升探测灵敏度与可解释性，应对LIM数据中信噪比低的挑战。
• 通过利用CO发射与Lyα发射星系（LAEs）之间的空间关联，实现对高红移宇宙学的约束，尤其针对尘埃遮蔽、富含气体的系统。
• 开发并测试专为COMAP与HETDEX协同设计的数据分析方法，如掩蔽、叠加和体素强度分布（VID）分析。
• 为z∼6处的CO(2-1)发射提供具有竞争力的上限，这对约束早期星系的星际介质性质至关重要。

提出的方法

• 对IllustrisTNG300模拟进行物理参数化后处理，同时模拟CO(1-0)与Lyα光度，考虑尘埃消光及来自VLA和ALMA的观测约束。
• 在300³ Mpc³体积内，生成COMAP CO图与HETDEX LAE星表的一致模拟观测，覆盖红移z∼2.5至z∼8。
• 应用基于体素的统计技术——掩蔽、叠加和体素强度分布（VID）分析——结合HETDEX LAE星表分析COMAP数据。
• 利用HETDEX数据识别信号主导的体素（例如z∼3处明亮的CO(1-0)发射），并用于掩蔽CO(1-0)发射，从而实现对残余CO(2-1)信号的精确上限。
• 测试不同LAE巡天填充值与重叠度的影响，评估更高密度星系星表带来的灵敏度增益。
• 比较LAE丰富区与LAE稀少区的VID统计特性，以探测CO发射星系与LAE在大尺度结构上的空间关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 将COMAP CO强度映射与HETDEX Lyα星系巡天相结合，能否提升z∼3–6处CO(1-0)探测的灵敏度与显著性？
• RQ2 在多大程度上可利用HETDEX LAE星表掩蔽CO(1-0)发射，从而实现对z∼6处CO(2-1)发射的具有竞争力的上限？
• RQ3 在COMAP体素尺度上，CO与Lyα发射的空间分布如何相关？这揭示了关于尘埃含量与星系演化何种信息？
• RQ4 通过HETDEX引导的体素级COMAP数据分析，能否在2<z<8范围内解析CO发射的红移演化？
• RQ5 利用这种协同方法，能否对z∼3处明亮、富含气体的星系团中CO发射的等效宽度与线宽施加约束？

主要发现

• COMAP与HETDEX的协同作用使初始CO(1-0)探测灵敏度提升了2–3倍，显著提高了信噪比。
• 在z∼6处可实现对CO(2-1)发射的6σ上限（三个COMAP场为6σ，一个场为3σ），灵敏度达∼0.05 μK，与未来EoR巡天具有竞争力。
• 可识别出数百个体素，其内包含来自z∼3处富含气体星系的明亮CO(1-0)发射，形成一个免受光学/紫外巡天中尘埃遮蔽偏差影响的统计样本。
• 通过将数据按红移分箱，该方法实现了对2<z<8范围内CO发射的红移分辨探测，使CO演化得以测量。
• VID分析揭示了LAE丰富区与LAE稀少区之间存在显著的统计差异，表明在星系团尺度上CO发射与LAE存在空间关联。
• 该数据组合使我们能够探测明亮星系团中CO线宽与等效宽度，为高红移星系中气体湍流与ISM条件提供约束。