[論文レビュー] A First Transients Survey with JWST: the FLARE project

Lifan Wang, D. Baade+44 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 10被引用数 11

ひとこと要約

FLAREプロジェクトは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いて、赤方偏移>6の範囲で最初の明るい瞬時的変動源—例えば、第3星族の超新星や直接縮重ブラックホールの降着イベント—を検出・研究する広視野・時間領域調査を提案する。2 μmおよび4 μmでの0.1平方度の領域を中程度の深さでモニタリングすることで、赤方偏移10を超える質量の大きな第3星族の超新星や、z > 6での超超新星を検出することを目的としており、初期の星形成およびブラックホールの種の形成に関する直接的な制約を提供する。

ABSTRACT

JWST was conceived and built to answer one of the most fundamental questions that humans can address empirically: "How did the Universe make its first stars?". Our First Lights At REionization (FLARE) project transforms the quest for the epoch of reionization from the static to the time domain. It targets the complementary question: "What happened to those first stars?". It will be answered by observations of the most luminous events: supernovae and accretion on to black holes formed by direct collapse from the primordial gas clouds. These transients provide direct constraints on star-formation rates (SFRs) and the truly initial Initial Mass Function (IMF), and they may identify possible stellar seeds of supermassive black holes (SMBHs). Furthermore, our knowledge of the physics of these events at ultra-low metallicity will be much expanded. JWST's unique capabilities will detect these most luminous and earliest cosmic messengers easily in fairly shallow observations. However, these events are very rare at the dawn of cosmic structure formation and so require large area coverage. Time domain astronomy can be advanced to an unprecedented depth by means of a shallow field of JWST reaching 27 mag AB in 2 and 4.4 microns over a field as large as 0.1 square degree visited multiple times each year. Such a survey may set strong constraints or detect massive Pop III SNe at redshifts beyond 10, pinpointing the redshift of the first stars, or at least their death. Based on our current knowledge of superluminous supernovae (SLSNe), such a survey will find one or more SLSNe at redshifts above 6 in five years and possibly several direct collapse black holes. Although JWST is not designed as a wide field survey telescope, we show that such a wide field survey is possible with JWST and is critical in addressing several of its key scientific goals.

研究の動機と目的

• 静的画像に依存するのではなく、最も明るい瞬時的特徴を観測することで、最初の星がどのように形成され、どのように死んでいったかという根本的な問いに答えること。
• 浅い一回限りの観測の限界を克服し、再電離の時代を調べるためにスタアモードから時間領域天文学へのシフトを図ること。
• 超超新星や降着するブラックホールといった、最も明るい高赤方偏移の瞬時的変動源を検出し、特徴づけることにより、初期の星形成およびブラックホールの種の形成を直接的トレーサーとして提供すること。
• コミュニティ全体が発見と追跡観測を可能にするために、高赤方偏移の瞬時的変動源の公開でリアルタイムのデータベースと、シミュレーションおよび解析のためのツールを整備すること。
• シミュレーションとモック観測を通じて、JWSTのミッション期間を通じて時間的利用を最適化するための調査戦略を検証および最適化すること。

提案手法

• AB等級27程度の深さで、2 μmおよび4.4 μmの波長帯域で0.1平方度の広視野をカバーする、浅いJWST調査を実施する。
• 毎年繰り返し観測することで、初期宇宙における超新星や降着フレアなどの瞬時的変動源を検出する。
• 高赤方偏移における時間の遅延効果を活用し、観測間隔の計画を簡素化するとともに、長期間にわたる変動源の検出感度を向上させる。
• 真の高赤方偏移の瞬時的変動源を、ブルー矮星などの前景汚染物質と区別するための確率的ターゲット分類を実装する。
• 地上望遠鏡の深紫外・可視光画像（例：Subaru戦略的プログラム）と統合し、誤検出を排除するとともに、多波長の文脈を提供する。
• TAO（宇宙における瞬時的変動源と観測）のようなツールを開発・展開し、モックJWST観測をシミュレートし、将来的なサイクルの計画立案を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、時間領域調査を用いて、赤方偏移10を超える場所に存在する質量の大きな第3星族の超新星を検出可能か？
• RQ2 浅い広視野のJWST調査において、z > 6での超超新星の予想される発生率と検出可能性は何か？
• RQ3 直接縮重ブラックホールの降着イベントは、JWSTの赤外線能力を用いて初期宇宙における明るい瞬時的変動源として同定可能か？
• RQ4 広視野、観測間隔、波長カバー範囲の観点から、初期宇宙における瞬時的変動源検出をどのように最適化すれば、科学的帰結を最大限に引き出せるか？
• RQ5 コミュニティ主導のリアルタイムデータ共有およびシミュレーションツールは、JWST時間領域観測の発見可能性を最大化するために果たす役割は何か？

主な発見

• 2 μmおよび4.4 μmでAB等級約27の浅い（0.1平方度）JWST調査は、赤方偏移10を超える場所に存在する質量の大きな第3星族の超新星を検出可能であり、最初の星形成の時代に関する直接的な制約を提供する。
• 現在の高赤方偏移SLSN発生率モデルに基づくと、5年間の運用でz > 6での超超新星を1つ以上検出できると予想される。
• この調査では、直接縮重ブラックホールからの変動源も検出可能であり、初期宇宙に形成された超大質量ブラックホールの種の同定への道筋を提供する。
• 広視野画像において、再電離時代の構造的特徴（大規模構造のシグネチャ）が検出可能であり、初期物質分布の宇宙網を明らかにする。
• 短い波長帯域での地上ベースの深紫外・可視光画像は、前景汚染物質の除去および信頼性の高い瞬時的変動源分類を可能にするために不可欠である。
• FLAREプロジェクトは、検出されたすべての瞬時的変動源および支援ツールを、公開でリアルタイムに提供し、即時のコミュニティによる追跡観測およびシミュレーションベースのミッション計画を可能にする。