[論文レビュー] Constraining the properties of Population III galaxies with multi-wavelength observations

Simon Pochinda, Thomas Gessey-Jones+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、HERAおよびSARAS 3の21cmデータと、宇宙のX線および電波背景の上限値を組み合わせることで、宇宙の暁期における恒星形成の性質、特に第III族および第II族星の性質を制約する。68%信頼区間における第III族星の恒星形成効率の上限は5.7%であり、10⁴¹.⁴⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yrのX線放射率のピークが示され、初期の銀河が現在の星形成暴走銀河よりも0.3〜318倍X線効率が高かった可能性を示唆している。

ABSTRACT

ABSTRACT The early Universe, spanning 400 000 to 400 million years after the big bang (z ≈ 1100–11), has been left largely unexplored as the light from luminous objects is too faint to be observed directly. While new experiments are pushing the redshift limit of direct observations, measurements in the low-frequency radio band promise to probe early star and black hole formation via observations of the hydrogen 21-cm line. In this work, we explore synergies between 21-cm data from the HERA and SARAS 3 experiments and observations of the unresolved radio and X-ray backgrounds using multiwavelength Bayesian analysis. We use the combined data set to constrain properties of Population II and Population III stars as well as early X-ray and radio sources. The joint fit reveals a 68 percentile disfavouring of Population III star formation efficiencies $\gtrsim 5.7~{{\ m per\ cent}}$. We also show how the 21-cm and the X-ray background data synergistically constrain opposite ends of the X-ray efficiency prior distribution to produce a peak in the 1D posterior of the X-ray luminosity per star formation rate. We find (at 68 per cent confidence) that early galaxies were likely 0.3–318 times as X-ray efficient as present-day starburst galaxies. We also show that the functional posteriors from our joint fit rule out global 21-cm signals deeper than ≲−203 mK and power spectrum amplitudes at k = 0.34 h Mpc−1 greater than $\Delta _{21}^2 \gtrsim 946\ \mathrm{mK}^2$ with 3σ confidence.

研究の動機と目的

• 多波長データを用いて、初期宇宙における第III族および第II族星の恒星形成効率と放射率特性を制約すること。
• 直接観測が困難な最初の明るい天体の観測的ギャップを埋めるために、宇宙の暁期および再電離期の観測的課題を扱うこと。
• 21cm観測と拡散背景測定を統合することで、天体物理学的パラメータの制約を強化すること。
• 理論的21cm信号モデルが、現在および将来のX線および電波背景の観測上限と整合しているかを検証すること。
• グローバル21cm信号およびパワースペクトルの関数的事後分布を特定し、極端な信号振幅を高い信頼度で除外すること。

提案手法

• HERAおよびSARAS 3の21cmグローバル信号およびパワースペクトルデータを統合した、多波長のベイズ推論フレームワークを採用した。
• X線背景（XRB）および未解像化電波背景（RBB）の上限値を尤度関数に組み込み、X線および電波効率の制約を実施した。
• ネストドサンプリングを用いて、恒星形成効率、単位恒星形成率あたりのX線放射率、単位恒星形成率あたりの電波放射率の同時事後分布を計算した。
• 21cmグローバル信号およびパワースペクトルの関数的事前分布を関数的事後分布にマッピングし、信号振幅に対するモデルに依存しない制約を可能にした。
• 21cmデータとXRBデータの補完的感度を活用して、X線放射率の1次元周辺事後分布を制約した。
• 3σ信頼区間を適用し、グローバルおよびパワースペクトル領域の両方で極端な信号振幅を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21cmデータとX線・電波背景測定を統合した場合、第III族恒星形成効率にどのような制限が得られるか？
• RQ2 21cm観測と拡散背景データが、初期銀河の単位恒星形成率あたりのX線放射率をどのように相乗的に制約するか？
• RQ3 統合データに基づく高赤方偏移銀河の単位恒星形成率あたりの電波放射率の上限は何か？
• RQ4 結合データが、高い信頼度で除外する21cm信号の振幅関数的範囲はどの程度か？
• RQ5 グローバル21cm信号およびパワースペクトルの関数的事後分布は、個々のデータセットと比較して、事前分布空間をどの程度圧縮するか？

主な発見

• 統合データは、68%信頼区間において、第III族恒星形成効率が5.7%を超えることを強く否定する。
• X線放射率の1次元周辺事後分布は、約10⁴¹.⁴⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yrでピークを示し、68%信頼区間は10³⁹.⁸⁷から10⁴².⁹⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yrの間である。
• 68%信用区間に基づき、初期の銀河は現在の星形成暴走銀河よりも0.3〜318倍X線効率が高かった可能性がある。
• 統合解析により、68%信頼区間でlog₁₀(L_radio / M⊙⁻¹ yr) < 23.32の上限が得られ、初期の銀河は現在の銀河よりも21倍未満の電波効率であったと示唆される。
• グローバル21cm信号の関数的事後分布は、z ≈ 15.24で−203 mK未満の振幅を3σ以上で除外する。
• k = 0.34 h Mpc⁻¹における21cmパワースペクトルの関数的事後分布は、Δ²₂₁ ≳ 946 mK²の振幅を3σ以上で除外する。