[論文レビュー] Cosmic Dawn and Reionization: Astrophysics in the Final Frontier

Asantha Cooray, James Aguirre+72 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、2020年代から2030年代にかけての次世代の地上および宇宙望遠鏡施設の科学的目標を概説し、宇宙の夜明けおよび再電離の決定的測定を達成することを目的としている。主な焦点は、最初の星、銀河、ブラックホールの形成および銀河間媒体の電離である。多波長データと高度なモデリングを用いて、初期宇宙における天体物理学的プロセスの主要な不確実性を解消するため、協働観測と新規計器の開発を提案している。

ABSTRACT

The cosmic dawn and epoch of reionization mark the time period in the universe when stars, galaxies, and blackhole seeds first formed and the intergalactic medium changed from neutral to an ionized one. Despite substantial progress with multi-wavelength observations, astrophysical process during this time period remain some of the least understood with large uncertainties on our existing models of galaxy, blackhole, and structure formation. This white paper outlines the current state of knowledge and anticipated scientific outcomes with ground and space-based astronomical facilities in the 2020s. We then propose a number of scientific goals and objectives for new facilities in late 2020s to mid 2030s that will lead to definitive measurements of key astrophysical processes in the epoch of reionization and cosmic dawn.

研究の動機と目的

• 2020年代から2030年代にかけての新規施設を活用して、宇宙の夜明けおよび再電離を観測するための重要な科学的目標を特定すること。
• 再電離時代における銀河、ブラックホール、大規模構造形成のモデルにおける大きな不確実性に対処すること。
• 初期宇宙における主要な天体物理学的プロセスの決定的測定を可能にする観測および理論的優先順位を定義すること。
• 2020年代後半以降の新規施設およびミッションの優先順位を決定するためのAstro2020十年度調査を支援すること。

提案手法

• 既存および予定の電波、ミリ波、赤外、可視光施設からの多波長観測を活用して、高赤方偏移宇宙を調査すること。
• 大規模な調査および深紫外画像データを統合して、最初の明るい天体の出現を追跡すること。
• 電離および銀河間媒体の加熱をモデル化するため、高度な放射輸送および流体ダイナミクスシミュレーションを用いること。
• 中性水素の21 cm信号を検出することを最適化した、低周波数電波アレイおよびミリ波望遠鏡を含む新規計器の提案。
• 大規模データセットの統計的分析と理論的モデリングを組み合わせて、初期銀河およびブラックホールの性質を制約すること。
• 宇宙の夜明けおよび再電離科学のための高感度かつ広視野を有する次世代観測施設の開発を進める国際的連携を推進すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離に寄与した最初の銀河の性質および明るさは何か？
• RQ2 最初の星およびブラックホールはどのように形成され、周囲の銀河間媒体にどのような影響を与えたか？
• RQ3 再電離期における銀河間媒体の電離のタイムラインおよび空間的分布はいかなるものか？
• RQ4 ダークマターおよびフィードバック過程は、初期銀河形成にどのような役割を果たしたか？
• RQ5 近い将来の電波およびミリ波施設は、宇宙の夜明けおよび再電離時代の21 cm信号をどのように検出できるか？

主な発見

• 本稿は、赤方偏移 z ≈ 6–30 の範囲で、中性水素の21 cm信号が宇宙の夜明けおよび再電離をマッピングする主なプローブであると特定している。
• 次世代の低周波数電波アレイ、特にアレイ・スクエア・キロメートル・アレイ（Square Kilometre Array）が、グローバル21 cmパワー・スペクトルの高感度測定を可能にすると強調している。
• 本稿は、ミリ波および遠赤外施設、特にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡および将来の宇宙望遠鏡が、類稀な深さと解像度で高赤方偏移銀河を検出できると予測している。
• 21 cm測定と銀河調査を組み合わせることで、初期銀河のイオン化効率および稼働率を制約できると推定している。
• 再電離のタイムラインを解明するには、周波数および空間解像度の両方で高い統計的パワーと高いダイナミックレンジが必要であると強調している。
• 天体物理学的プロセスを解き明かし、モデリングにおけるデグレネシーを低減するため、複数の波長および施設を横断する協働観測が不可欠であると結論している。