[論文レビュー] Astro2020 Science White Paper: First Stars and Black Holes at Cosmic Dawn with Redshifted 21-cm Observations

Jordan Mirocha, Daniel Jacobs+40 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、宇宙の暁期（z ≳ 10）における最初の星やブラックホールの形成を研究するため、赤方偏移した21cm線放射の低周波観測を提唱している。中性水素の熱的およびイオン化状態を調べることで、21cm信号は、初期の天体物理学的源への一意な間接的窓を提供する。EDGESで観測された78 MHzにおける異常な信号は、z ≳ 18で星形成や新しい物理法則の兆候となる可能性がある。

ABSTRACT

The "cosmic dawn" refers to the period of the Universe's history when stars and black holes first formed and began heating and ionizing hydrogen in the intergalactic medium (IGM). Though exceedingly difficult to detect directly, the first stars and black holes can be constrained indirectly through measurements of the cosmic 21-cm background, which traces the ionization state and temperature of intergalactic hydrogen gas. In this white paper, we focus on the science case for such observations, in particular those targeting redshifts z $\gtrsim$ 10 when the IGM is expected to be mostly neutral. 21-cm observations provide a unique window into this epoch and are thus critical to advancing first star and black hole science in the next decade.

研究の動機と目的

• 宇宙の暁期に最初の星やブラックホールの形成と性質を制約するために、赤方偏移した21cm線観測を用いる科学的根拠を確立すること。
• 銀河進化において中心的役割を果たすが、依然として理解が不十分な初期の星形成およびブラックホール形成に、直接観測的制約が極めて乏しいという深刻な欠如に対処すること。
• 21cm測定が、銀河間媒体（IGM）の熱的およびイオン化状態に対して特有の感受性を示すことを強調し、高赤方偏移源に関する間接的だが強力な制約を可能にすること。
• EDGESの78 MHz特徴のような異常を解釈するための理論的および実験的進展の連携の必要性を強調し、これは非標準的物理法則や初期の星形成を示唆する可能性がある。
• 系統誤差を最小限に抑え、宇宙の暁期の微弱な信号を信頼性高く検出するため、干渉計およびグローバル21cm実験の両方の開発を促進すること。

提案手法

• 中性水素の赤方偏移21cm線放射を用い、z ≳ 10における銀河間媒体（IGM）の熱的およびイオン化状態を追跡する。
• スピン温度、力学的温度、イオン化度を考慮した上で、赤方偏移関数として21cmの輝度温度対比（δTb）をモデル化する。
• 数百平方度にわたる大規模な21cm揺らぎをマッピングするための干渉計技術を適用し、宇宙分散を最小限に抑え、空間的勾配を解像する。
• グローバル21cm信号測定を用い、EDGESが報告した異常な78 MHzの谷を検出する。これは、初期の星形成やダークマター相互作用を示唆する可能性がある。
• 複数周波数・複数地点での観測を実施し、機器系の系統誤差を低減し、前景汚染と宇宙論的信号を区別する。
• 21cmデータを銀河調査および強度マッピングと統合し、源を相関させ、天体物理学的および宇宙論的効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≳ 10における最初の星やブラックホールの形成赤方偏移、質量、およびイオン化効率は何か？
• RQ2 初期源からの放射的およびX線フィードバックは、宇宙の暁期における低質量ハロー内の星形成をどのように制御するか？
• RQ3 EDGESのグローバル信号における異常な78 MHz特徴は、初期の星形成またはバリオン-ダークマター相互作用のような非標準的物理法則によって説明可能か？
• RQ4 21cmパワー スペクトルおよび輝度温度揺らぎは、再電離以前のIGMのイオン化および加熱歴にどのような制約を課えるか？
• RQ5 アームイン角解像度および広い角度スケールでの21cmフィールドの画像化は、初期ブラックホールおよび星形成の異なるモデルをどのように区別するのを助けるか？

主な発見

• 21cm背景は、z ≳ 10における中性銀河間媒体の熱的およびイオン化状態を追跡することで、最初の星やブラックホールを一意に間接的に探査する手段を提供する。
• EDGESの78 MHz特徴が確認されれば、z ≳ 18で星形成が発生していたことになり、10 ≲ z ≲ 30における小規模ハロー内での星形成およびブラックホール形成効率に関する制約が得られる。
• 21cm観測は、源自体が直接観測に耐えられないほどの微弱さであっても、イオン化バブルの成長や初期源からの熱的フィードバックを検出可能である。
• 宇宙分散を最小限に抑えて、宇宙の暁期における21cm信号の大規模構造を解像するためには、100 deg²以上の範囲をカバーする干渉計サーベイが不可欠である。
• 前景の問題が存在するが、グローバル21cm測定は依然として不可欠であり、特にEDGESの異常のようなスペクトル特徴を検出する上で重要である。これは、新しい物理法則を示唆する可能性がある。
• 将来の21cm実験は、独立した系統誤差と複数の観測地点を備えた設計が求められ、異常信号の妥当性を検証し、誤検出を回避する必要がある。