Testing masking effectiveness using multi-line image cubes based on COSMOS2020 for [CII] line intensity mapping at $z_{[CII]} > 3.5$

Technische Samenvatting: Testen van de Effectiviteit van Maskering met Multi-Lijn Beeldkubussen Gebaseerd op COSMOS2020 voor [CII] Lijnintensiteitsmapping bij $z_{[CII]} > 3.5$

Probleemstelling
Lijnintensiteitsmapping (LIM) biedt een unieke mogelijkheid om de driedimensionale verdeling van sterrenstelsels en het intergalactische medium tijdens de Epoch of Reionization (EoR) en post-EoR tijdperken te onderzoeken zonder individuele bronnen op te lossen. Een primair doelwit voor toekomstige LIM-experimenten, zoals de EoR-Spec module op de Fred Young Submillimeter Telescope (FYST), is de geïoniseerde koolstof fijnstructuurlijn ([CII]) bij $z \approx 3.5 - 8.2$. Echter, LIM-waarnemingen in het submillimeterbereik worden zwaar vervuild door voorgrondemissie, met name door Koolstofmonoxide (CO) rotatieovergangen afkomstig van sterrenstelsels met een lagere roodverschuiving ($z < 2$). In tegen tegenstelling tot traditionele surveys kan LIM de doelwit [CII]-signalen niet inherent onderscheiden van de contaminerende CO-emissie binnen dezelfde frequentiekanalen. Eerdere simulaties misten vaak realistische voorgrondcontaminatie of testten niet volledig de effectiviteit van de maskeringstechnieken die vereist zijn om het [CII]-krachtspectrum te herstellen. Dit werk adresseert de uitdaging om [CII]-signalen te herstellen in aanwezigheid van significante CO-contaminatie en instrumentele ruis, waarbij specifiek wordt getest of maskeringstrategieën effectief het doelwit signaal kunnen isoleren in het E-COSMOS veld.

Methodologie
De auteurs hebben het empirische simulatiekader gevestigd door Clarke et al. (2024, C24) uitgebreid om multi-lijn intensiteitskubussen te creëren voor het EoR-Spec frequentiebereik (205–420 GHz) en twee hypothetische lagere-frequentie extensies (90 en 150 GHz).

1. Data en Steekproefconstructie:

   • De studie maakte gebruik van de COSMOS2020 sterrenstelselcatalogus (versie 4.1.11) die een gebied van 1.44 deg$^2$ beslaat (E-COSMOS).
   • Om de intrinsieke incompleetheid van de catalogus aan te pakken, genereerden de auteurs twee soorten steekproeven: een "ondergrens" steekproef gebaseerd strikt op waargenomen sterrenstelsels (FARMER LP) en een "geëxtrapoleerde" steekproef. De extrapolatie omvatte het dupliceren van sterrenstelsels om de massacompletheidsstatistieken te matchen die zijn afgeleid van CANDELS, en het fitten van Schechter-functies aan de stellaire massafunctie, waardoor zwakke en heldere sterrenstelsels werden toegevoegd om de ware hemelpopulatie beter te representeren.
   • Bulk eigenschappen (Stellare Massa, SFR, $L_{IR}$) werden gebruikt om lijnluminositeiten toe te wijzen.

2. Lijnluminositeitsmodellering:

   • [CII]: Drie modellen werden toegepast om de onzekerheid te kaderen: een conservatieve ondergrens gebaseerd op lokale dwergstelsels (De Looze et al. 2014), een middenweg-model gebaseerd op SFR (Schaerer et al. 2020), en een bovengrens gebaseerd op hoog-roodverschuivende ALPINE-ALMA sterrenstelsels (C24_m3).
   • CO: Modellen voor de $J=1-0$ transitie werden afgeleid van $L_{IR}$ relaties (Sargent et al. 2014; Li et al. 2016). Andere CO-transities ($J=2-1$ tot $J=13-12$) werden afgeleid met behulp van Spectral Line Energy Distribution (SLED) templates, waarbij heldere (NGC 253) en zwakke (Milky Way) sterrenstelselprofielen werden gemengd op basis van de positie van het sterrenstelsel in de 'main sequence'.
   • Kubusconstructie: Luminositeiten werden omgezet naar intensiteiten en ingevoegd in 3D voxels. De kubussen werden geconvolueerd met de instrumentele beam (2D Gaussische functie in de map-ruimte, 1D Lorentziaanse functie in de frequentieruimte) en gesubgrid door $3\times3\times3$ om maskering te vergemakkelijken.

3. Ruismodellering:

   • De studie incorporeerde zowel witte ruis als gecorreleerde ruis (1/f ruis) gebaseerd op Time-Ordered Astrophysics Scalable Tools (TOAST) simulaties voor EoR-Spec. De ruiskubussen werden geschaald om de volledige 2000-urige observatieperiode te representeren.

4. Maskeringstechnieken:

   • Doelgerichte Maskering (Targeted Masking): Maakte gebruik van de COSMOS2020 catalogus als een voorgrondmasker. Heldere sterrenstelsels waarvan bekend is dat ze CO emitteren, werden geïdentificeerd en voxels rondom hen werden gemaskeerd. De auteurs testten verschillende maskerradiï (0.5$\sigma$ tot 2.5$\sigma$) en bepaalden iteratief een optimale maskeringvolgorde op basis van een efficiëntieparameter (CO-verwijdering per eenheid gemaskeerd volume).
   • Blinde Maskering (Blind Masking): Vertrouwde niet op een externe catalogus. In plaats daarvan identificeerde het lokale maxima in de totale intensiteitskubussen over meerdere frequentiebanden. Voxels werden gekoppeld als hun ruimtelijke scheiding en frequentieverschil overeenkwamen met een enkel sterrenstelsel dat in twee verschillende lijnen emitteert (bijv. verschillende CO-transities of CO en [CII]). Deze techniek werd getest met en zonder de hypothetische 90/150 GHz banden.

Belangrijkste Resultaten

• CO vs. [CII] Signaalsterkte:

  • Boven 300 GHz ($z_{[CII]} < 5$) zijn de voorspelde [CII] en CO intensiteiten vergelijkbaar (binnen $\sim0.5$ dex), waarbij CO domineert bij lagere frequenties.
  • Onder 300 GHz overtreft de CO-emissie de [CII] met meer dan 1 dex in niet-geëxtrapoleerde modellen, wat herstel via maskering extreem moeilijk maakt zonder aanvullende frequentiebedekking.
  • De CO-krachtspectra overtreger over het algemeen de voorspelde atmosferische sensitiviteitslimieten voor $k > 0.5$ Mpc$^{-1}$, maar zwakkere modellen vallen onder de ruisvloer bij lage $k$-modi.

• Effectiviteit van Doelgerichte Maskering:

  • Succes: Doelgerichte maskering slaagde er succesvol in om [CII] krachtspectra te herstellen boven 300 GHz wanneer brede maskers ($\ge 1.5\sigma$) werden gebruikt. Onder ideale omstandigheden (volledige voorgrondcatalogus) was het herstelde [CII] signaal duidelijk onderscheidbaar van de residuele CO.
  • Beperkingen: Bij 280 GHz faalde zelfs maximale maskering door de overweldigende CO-signaal.
  • Overmaskering: De studie identificeerde een specifiek risico op "overmaskering" (het per ongeluk verwijderen van het [CII] signaal) bij het maskeren van de CO $J=5-4$ transitie bij 410 GHz met heldere sterrenstelselmaskers. Dit suggereert dat specifieke transities moeten worden uitgesloten van maskeringstrategieën in het E-COSMOS veld.
  • Cataloguscompletheid: Als de voorgrondcatalogus incompleet is (mist de zwakke geëxtrapoleerde sterrenstelsels), wordt doelgerichte maskering aanzienlijk minder effectief, omdat niet-gemaskeerde CO-bronnen achterblijven.

• Effectiviteit van Blinde Maskering:

  • Blinde maskering bleek superieur wanneer de voorgrondcatalogus incompleet is, aangezien het niet afhankelijk is van voorkennis over de locaties van sterrenstelsels.
  • De techniek is het meest effectief bij het gebruik van de hypothetische 90 en 150 GHz banden, die robuustere voxel-koppeling over frequenties mogelijk maken. Zonder deze banden is blinde maskering minder efficiënt, maar presteert het nog steeds beter dan doelgerichte maskering met een incomplete catalogus.
  • Blinde maskering is zeer gevoelig voor ruis; bij hoge frequenties (>300 GHz) kunnen ruispieken worden aangezien voor lijnemissie, wat de effectiviteit van de techniek met wel 0.5 dex vermindert.

• Impact van Ruis:

  • Gecombineerde witte en gecorreleerde ruis belemmert [CII] herstel boven 300 GHz. Het bereiken van een Signaal-Ruisverhouding (S/N) $>5$ voor het clustering-signaal zou ongeveer vijf keer de momenteel geplande observatietijd (of verbeterde instrumentele sensitiviteit) vereisen.
  • Hoewel CO onder 300 GHz kan worden hersteld, blijft [CII] herstel in dit regime onwaarschijnlijk zonder cross-correlatietechnieken vanwege de dominantie van CO en ruis.

Betekenis en Claims
De auteurs claimen dat hun werk een realistische, empirisch gefundeerde beoordeling biedt van de haalbaarheid van [CII] LIM met het EoR-Spec instrument. De studie toont aan dat:

1. Haalbaarheid: Het herstellen van [CII] via maskering is haalbaar voor frequenties boven 300 GHz, mits brede maskerradii worden gebruikt en de voorgrondcatalogus voldoende compleet is.
2. Noodzaak van Multi-Band Data: De inclusie van lagere frequentiebanden (90/150 GHz) of cross-instrument waarnemingen is cruciaal voor het succes van blinde maskering en voor het effectief schoonmaken van CO-contaminatie.
3. Methodologische Validatie: De empirische benadering met behulp van COSMOS2020, gecombineerd met extrapolatie en SLED templates, levert CO-schattingen op die consistent zijn met ALMA, VLA en NOEMA waarnemingen, wat het simulatiekader valideert.
4. Operationele Richtlijnen: Het artikel identificeert specifieke operationele beperkingen, zoals de noodzaak om de CO $J=5-4$ transitie in E-COSMOS te vermijden om overmaskering te voorkomen, en benadrukt dat de huidige ruisniveaus waarschijnlijk uitgebreide observatietijden of geavanceerde ruismitigatie (bijv. PCA cleaning) zullen vereisen om robuuste detecties te bereiken.

De auteurs concluderen dat hoewel contaminant mitigatie via doelgerichte en blinde maskering een levensvatbare strategie is voor EoR-Spec, het succes van het experiment sterk afhangt van de compleetheid van voorgrondcatalogi, de beschikbaarheid van multi-frequentie data en het beheer van instrumentele ruis. Zij positioneren dit werk als een fundament voor toekomstige cross-correlatie studies en meer geavanceerde deconfusing technieken.