[论文解读] Tomographic Intensity Mapping versus Galaxy Surveys: Observing the Universe in H-alpha emission with new generation instruments

Marta B. Silva, Saleem Zaroubi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文利用模拟和观测的光度函数，比较了H𝛼强度映射（IM）与星系巡天在探测高红移宇宙中的表现，建模了从z ≈ 0到5的H𝛼强度谱和功率谱。结果表明，SPHEREx和CDIM等IM巡天可统计检测到z ≈ 0.8–5范围内全部H𝛼发射，其中CDIM的高光谱分辨率可实现H𝛼与混淆线的分离；而星系巡天仅能探测贡献总发射强度不足3%的明亮星系。

ABSTRACT

The H-alpha line emission is an important probe for a number of fundamental quantities in galaxies, including their number density, star formation rate (SFR) and overall gas content. A new generation of low-resolution intensity mapping probes, e.g. SPHEREx and CDIM, will observe galaxies in H-alpha emission over a large fraction of the sky from the local Universe till a redshift of z ~ 6 to 10, respectively. This will also be the target line for observations by the high-resolution Euclid and WFIRST instruments in the z ~ 0.7 - 2 redshift range. In this paper, we estimate the intensity and power spectra of the H-alpha line in the z ~ 0 - 5 redshift range using observed line luminosity functions (LFs), when possible, and simulations, otherwise. We estimate the significance of our predictions by accounting for the modelling uncertainties (e.g. SFR, extinction, etc.) and observational contamination. We find that Intensity Mapping (IM) surveys can make a statistical detection of the full H-alpha emission between z ~ 0.8 - 5. Moreover, we find that the high-frequency resolution and the sensitivity of the planned CDIM surveys allow for the separation of H-alpha emission from several interloping lines. We explore ways to use the combination of these line intensities to probe galaxy properties. As expected, our study indicates that galaxy surveys will only detect bright galaxies that contribute up to a few percent of the overall H-alpha intensity. However, these surveys will provide important constraints on the high end of the H-alpha LF and put strong constraints on the AGN LF.

研究动机与目标

• 使用观测的光度函数和模拟，建模z ≈ 0–5范围内的H𝛼强度谱和功率谱。
• 评估来自混淆发射线（如OIII、SII、NII、Hβ、Ly𝛼）的观测污染对H𝛼强度映射巡天的影响。
• 评估通过流量截断和多条发射线联合建模，分离H𝛼信号与污染线的可行性。
• 确定未来IM巡天（如SPHEREx、CDIM）实现稳健H𝛼测量所需的灵敏度与分辨率要求。
• 探索利用线比诊断和星系巡天数据校正H𝛼强度图中尘埃消光的潜力。

提出的方法

• 利用模拟和观测的H𝛼光度函数，构建了H𝛼及混淆线（OIII、SII、NII、Hβ、Ly𝛼）的光锥。
• 将计划中的IM巡天（SPHEREx、CDIM）的流量灵敏度与体素分辨率参数应用于模拟可观测强度图。
• 通过计算混淆线功率谱相对于目标H𝛼信号的比值，量化污染程度。
• 实施流量截断（3.0、1.2、0.5 × 10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²）以掩蔽污染体素，并评估其对功率谱的影响。
• 评估星系巡天数据（如WFIRST灵敏度）在IM图中探测并掩蔽污染星系的有效性。
• 探索利用线比诊断（如H𝛼/Hβ）和外部消光模型，校正IM反演H𝛼强度中尘埃衰减的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在混淆线污染，强度映射巡天是否能探测到z ≈ 0.8至5范围内的全部H𝛼发射？
• RQ2 OIII、SII和NII等混淆线在多大程度上污染H𝛼强度图？这种污染如何随红移变化？
• RQ3 对污染线流量实施截断能否将污染功率谱降低至可接受水平，同时不显著劣化目标H𝛼信号？
• RQ4 是否可行通过线比诊断或外部星系巡天数据校正H𝛼强度映射中的尘埃消光？
• RQ5 SPHEREx和CDIM的灵敏度与光谱分辨率如何影响H𝛼与其他发射线的分离？

主要发现

• 尽管存在显著的混淆线污染，强度映射巡天仍可统计探测到z ≈ 0.8–5范围内全部H𝛼发射。
• 背景线污染使z ≲ 2区域的观测H𝛼功率谱增加至最多两倍，但通过流量截断可将其降低至信号的≤10%。
• 5.0 × 10⁻¹⁷ erg s⁻¹ cm⁻²的流量截断可有效将z ≈ 0.8–2区域的污染功率谱降至<10%，且对目标H𝛼功率谱的劣化不足1%。
• 掩蔽少于1%的体素即可有效抑制污染，且真实H𝛼信号的恢复不受显著影响。
• 具有1.2 × 10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²流量灵敏度的星系巡天（如WFIRST）可探测z ≲ 0.8区域的混淆星系，但目前尚无巡天达到更高红移所需的灵敏度。
• 若H𝛼成功与其它线分离且应用线比诊断，则H𝛼消光校正的不确定性可控制在约20%以内，但此方法需高光谱分辨率与联合建模。