[论文解读] The THESAN project: predictions for multi-tracer line intensity mapping in the epoch of reionization

Rahul Kannan, Aaron Smith+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 137被引用 5

一句话总结

本文利用 thesan 模拟，针对再电离时期提出了高分辨率、多示踪线强度映射的预测，结合亚分辨率光离化模型与蒙特卡洛辐射转移方法，模拟了高红移星系的尘埃消光光谱能量分布（SED）。研究发现，由于金属丰度较低，星暴率-光度关系与低红移关系存在显著差异，并识别出 $k_{\mathrm{transition}}$ 作为电离区尺寸的敏感探针，为解释即将开展的LIM实验提供了稳健的理论框架。

ABSTRACT

Line intensity mapping (LIM) is rapidly emerging as a powerful technique to study galaxy formation and cosmology in the high-redshift Universe. We present LIM estimates of select spectral lines originating from the interstellar medium (ISM) of galaxies and 21 cm emission from neutral hydrogen gas in the Universe using the large volume, high resolution THESAN reionization simulations. A combination of sub-resolution photo-ionization modelling for HII regions and Monte Carlo radiative transfer calculations is employed to estimate the dust-attenuated spectral energy distributions (SEDs) of high-redshift galaxies ($z\gtrsim5.5$). We show that the derived photometric properties such as the ultraviolet (UV) luminosity function and the UV continuum slopes match observationally inferred values, demonstrating the accuracy of the SED modelling. We provide fits to the luminosity--star formation rate relation (L-SFR) for the brightest emission lines and find that important differences exist between the derived scaling relations and the widely used low-$z$ ones because the interstellar medium of reionization era galaxies is generally less metal-enriched than in their low redshift counterparts. We use these relations to construct line intensity maps of nebular emission lines and cross correlate with the 21 cm emission. Interestingly, the wavenumber at which the correlation switches sign ($k_\mathrm{transition}$) depends heavily on the reionization model and to a lesser extent on the targeted emission line, which is consistent with the picture that $k_\mathrm{transition}$ probes the typical sizes of ionized regions. The derived scaling relations and intensity maps represent a timely state-of-the-art framework for forecasting and interpreting results from current and upcoming LIM experiments.

研究动机与目标

• 开发一个物理自洽的框架，用于预测再电离时期星系的发射线与21 cm辐射的线强度映射。
• 利用高分辨率模拟与先进的辐射转移方法，模拟高红移星系（$z \gtrsim 5.5$）的尘埃消光光谱能量分布（SED）。
• 量化星际介质性质（尤其是低金属丰度）对关键发射线的光度–星形成率（L–SFR）关系的影响。
• 研究发射线强度映射与21 cm辐射之间的交叉相关性，识别 $k_{\mathrm{transition}}$ 作为具有宇宙学敏感性的可观测量。
• 为当前及未来的线强度映射实验提供公开可获取、最先进的理论基础。

提出的方法

• 利用大规模、高分辨率的 thesan 再电离模拟，结合自适应网格加密与粒子型流体动力学。
• 应用亚分辨率光离化模型以解析H ii区，并采用蒙特卡洛辐射转移方法计算高红移星系的尘埃消光SED。
• 采用多相星际介质模型，包含气体冷却、恒星形成与反馈，自洽地演化红移 $z \gtrsim 5.5$ 下的星系性质。
• 生成关键发射线（如 [O iii]、Hα、[C ii]）与中性氢21 cm辐射的合成线强度映射。
• 计算线强度映射与21 cm辐射之间的交叉功率谱，以识别 $k_{\mathrm{transition}}$，即线强度与21 cm辐射交叉相关性符号发生转变的波数。
• 对最亮发射线的L–SFR关系进行经验拟合，并与低红移校准结果对比，量化红移依赖的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于金属丰度较低，高红移星系中关键发射线的光度–星形成率关系与低红移关系有何不同？
• RQ2 发射线强度映射与21 cm辐射之间的交叉相关性在多大程度上依赖于再电离模型及发射线的选择？
• RQ3 $k_{\mathrm{transition}}$（即线强度与21 cm辐射交叉相关性符号发生转变的波数）具有何种物理意义？
• RQ4 模拟得到的光度性质（如紫外光度函数、紫外连续谱斜率）与高红移星系的观测约束符合程度如何？
• RQ5 模拟的线强度映射与SED能否作为解释未来线强度映射巡天的可靠理论基准？

主要发现

• 模拟的高红移星系（$z \gtrsim 5.5$）紫外光度函数与紫外连续谱斜率与观测估计高度一致，验证了SED建模方法的有效性。
• 由于金属丰度较低且尘埃消光较弱，再电离时期关键发射线（如 [O iii] 与 Hα）的光度–星形成率关系与低红移关系存在显著差异。
• 线强度与21 cm辐射交叉相关性符号发生转变的波数 $k_{\mathrm{transition}}$ 显著依赖于再电离模型，是电离区尺寸的有力探针。
• 过渡尺度 $k_{\mathrm{transition}}$ 对发射线选择的敏感性较低，表明其主要受电离泡全局拓扑结构的控制。
• 所推导的L–SFR关系与强度映射为当前及未来LIM实验的预测与结果解释提供了物理解释充分、高保真的理论框架。
• 模拟数据（包括原始与尘埃消光SED）将通过 www.thesan-project.com 公开发布，支持社区广泛使用，用于模型对比与仪器预测。