[论文解读] The case for a 'sub-millimeter SDSS': a 3D map of galaxy evolution to z~10

J. E. Geach, M. Banerji+54 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

该论文提出了一项大范围、高灵敏度的亚毫米波谱调查——'亚毫米波SDSS'——通过探测热尘埃发射和原子/分子谱线，实现对红移z≈10以内的星系演化三维图谱的绘制。利用一台50米单天线望远镜搭配1000像素的谱线仪阵列，可实现深空、混淆限制的巡天（1毫米波段灵敏度达100 μJy），每平方度可探测约15万个星系，实现对z~7–10红移段L⋆星系的精确红移测量与恒星形成率测定。

ABSTRACT

The Sloan Digital Sky Survey (SDSS) was revolutionary because of the extraordinary breadth and ambition of its optical imaging and spectroscopy. We argue that a 'sub-millimeter SDSS' - a sensitive large-area imaging+spectroscopic survey in the sub-mm window - will revolutionize our understanding of galaxy evolution in the early Universe. By detecting the thermal dust continuum emission and atomic and molecular line emission of galaxies out to z~10 it will be possible to measure the redshifts, star formation rates, dust and gas content of hundreds of thousands of high-z galaxies down to ~L*. Many of these galaxies will have counterparts visible in the deep optical imaging of the Large Synoptic Survey Telescope. This 3D map of galaxy evolution will span the peak epoch of galaxy formation all the way back to cosmic dawn, measuring the co-evolution of the star formation rate density and molecular gas content of galaxies, tracking the production of metals and charting the growth of large-scale structure.

研究动机与目标

• 为克服当前亚毫米波巡天因波束较大而产生的混淆噪声，以及缺乏光谱后续观测的局限。
• 实现对高红移星系的完整普查，包括光学暗淡和尘埃遮蔽的系统，这些系统常被光学巡天所遗漏。
• 为多达数十万的星系提供精确的红移及物理参数测量（恒星形成率、气体、尘埃），红移范围延伸至z≈10。
• 通过联合演化恒星形成率密度、分子气体与金属丰度，构建星系演化的三维图谱。
• 与LSST和ALMA协同，为高ℓ星系提供可靠的红移与源关联信息。

提出的方法

• 部署一台50米亚毫米波单天线望远镜，配备1000像素的片上谱线仪阵列，实现每100 km s⁻¹通道的亚毫瓦级灵敏度。
• 利用约20 μJy的宽带连续谱灵敏度（850 μm波段），探测红移z≈3–5时L⋆星系的热尘埃发射。
• 实现1 σ灵敏度约500 μJy/200 km s⁻¹通道，用于探测恒星形成率SFR≈10–100 M☉ yr⁻¹星系中的[C II]与CO谱线。
• 利用瑞利-金斯谱尾的负K校正效应，保持红移z≈10以内的深度均匀。
• 结合亚毫米波测光与UVOIR测光，实现光度红移测量，并利用谱线实现精确红移测定。
• 利用1毫米波段约100 μJy的混淆限制深度，最大化1000平方度巡天中的源探测率。

实验结果

研究问题

• RQ1 广域、高灵敏度的亚毫米波谱线巡天是否能够探测并测定数十万例高红移星系至z≈10的红移？
• RQ2 亚毫米波巡天在多大程度上可克服混淆与宇宙学消光效应，实现在宇宙时空中近乎均匀的深度？
• RQ3 在一次盲式谱线巡天中，可探测到多少数量级的高ℓ星系（SFR≈10–100 M☉ yr⁻¹）通过[C II]与CO谱线发射？
• RQ4 在50米望远镜搭配1000像素谱线仪阵列的条件下，每平方度预期可探测到多少条谱线？
• RQ5 此类巡天如何实现对星系形成峰值时期恒星形成与气体含量的完整普查？

主要发现

• 利用50米望远镜开展深度盲式谱线巡天，可在1平方度范围内探测到约15万个星系，红移范围达z≈7，假设1毫米波段的混淆极限为~100 μJy。
• 该仪器将实现约500 μJy/200 km s⁻¹通道的1 σ灵敏度，足以探测红移z≈3–5时LIRG星系的[C II]发射，其谱线流量约为5–10 mJy。
• 亚毫米波巡天受益于负K校正效应，即使存在宇宙学消光，仍可保持至z≈10的深度均匀性。
• 该巡天将探测到红移z≈3–5时L⋆星系的热尘埃发射，850 μm波段的流量密度约为100 μJy，从而实现对'上升阶段'恒星形成活动的完整普查。
• 所提出的仪器可探测到z≈10的CO与[C II]发射体，远超ALMA及现有UVOIR设施的能力。
• 1000像素的谱线仪阵列需约10⁸个探测器，因此需将每个探测器成本降至1美元以下，方具备经济可行性。