[論文レビュー] Can the reionization epoch be detected as a global signature in the cosmic background?

P. A. Shaver, Rogier A. Windhorst+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 1999

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 72

ひとこと要約

本論文では、宇宙の再電離時代を、赤方偏移された21cm放射（70–240 MHz）および水素再結合放射（0.7–2.6 μm）としての銀河間背景放射のグローバルスペクトルステップとして検出することを提案している。信号の鋭さと振幅は、根本的限界をはるかに上回っており、小型の電波望遠鏡や低背景の宇宙望遠鏡でも検出可能であり、宇宙の最初のイオン化相転移を独自に探査する手段を提供する。

ABSTRACT

The reionization of the Universe is expected to leave a signal in the form of a sharp step in the spectrum of the sky. If reionization occurs at 5 < z < 20, a feature should appear in the radio sky at 70 - 240 MHz due to redshifted HI 21-cm line emission, accompanied by another feature in the optical/near-IR at 0.7 - 2.6 micron due to hydrogen recombination radiation. The expected amplitude is well above fundamental detection limits, and the sharpness of the feature may make it distinguishable from variations due to terrestrial, galactic and extragalactic foregrounds. Because this is essentially a continuum measurement of a signal which occurs over the whole sky, relatively small telescopes may suffice for detection in the radio. In the optical/near-IR, a space telescope is needed with the lowest possible background conditions, since the experiment will be severely background-limited.

研究の動機と目的

• 再電離時代が宇宙背景放射に検出可能なグローバルスペクトル特徴を生じるかどうかを調査すること。
• 中性からイオン化された銀河間媒体への遷移に起因する鋭いスペクトルステップを検出可能かどうかを評価すること。
• 前景汚染を考慮しても、電波および可視光／近赤外観測がこのグローバル特徴を検出する可能性を評価すること。
• 信号の期待される振幅と鋭さを踏まえて、小型望遠鏡または宇宙望遠鏡が検出を達成できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 再電離期における中性水素からの赤方偏移21cm放射をモデル化し、赤方偏移が5 ≤ z_ion ≤ 20の範囲で70–240 MHzにスペクトルステップが予測されることを示す。
• 急速で段階的移行に似たイオン化フロントを仮定して、可視光／近赤外（0.7–2.6 μm）における水素再結合放射の振幅を推定する。
• 信号の期待振幅を根本的検出限界と前景汚染レベルと比較することで、グローバル信号の検出可能性を評価する。
• 21cm信号には中程度のサイズの地上電波望遠鏡を、可視光／近赤外信号には背景が極めて低い条件を満たす宇宙望遠鏡を提案する。
• 銀河的および銀河外の前景の影響をモデル化し、スペクトル差分法やフラットフィールディング技術を用いて汚染を低減する手法を提案する。
• ハッブル宇宙望遠鏡のSTIS機器にG750Lグレーティングを用いたシミュレーションを行い、36軌道にわたる観測で3σ表面輝度感度が1.3×10⁻²¹ erg/cm²/s/Hz/srに達することを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離時代は、銀河間背景スペクトルに検出可能なグローバルスペクトル特徴を生じるか？
• RQ2 再電離に起因する21cmおよび再結合放射信号の期待振幅と周波数範囲は何か？
• RQ3 スペクトルステップの鋭さが、電波および可視光帯域における滑らかな前景変動から区別可能か？
• RQ4 グローバル信号を検出するために必要な機器要件（望遠鏡サイズ、背景レベル、キャリブレーション）は何か？
• RQ5 銀河的および銀河外源からの前景汚染は、検出プロセスでどの程度低減可能か？

主な発見

• 再電離時代は、中性水素の赤方偏移21cm放射により、70–240 MHzで銀河間背景に鋭いスペクトルステップを生じると予想される。
• 0.7–2.6 μmで水素再結合放射に起因する補助的スペクトル特徴が予測され、その振幅は根本的検出限界をはるかに上回る。
• 信号の鋭さのおかげで、銀河的および銀河外放射成分が存在しても、滑らかな前景と区別可能である可能性がある。
• 地上の電波望遠鏡を中程度のサイズで使用すれば、地上干渉を管理できれば検出が可能である。
• 可視光／近赤外検出には、背景制限感度を克服するため、極めて低い背景条件を満たす宇宙望遠鏡が必要である。
• G750Lグレーティングを用いた36軌道のHST/STIS観測では、3σ表面輝度感度が1.3×10⁻²¹ erg/cm²/s/Hz/srに達し、フラットフィールディングとキャリブレーションが正確であれば、再電離信号を調べるのに十分である。