[論文レビュー] Dust production 0.7-1.5 billion years after the Big Bang

M. J. Michałowski|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2015

Space exploration and regulation参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=4–7.5（ビッグバン後0.7–1.5 Gyr）の高赤方偏移銀河における宇宙ダストの起源を、観測されたダスト質量と漸近巨星分支（AGB）星および超新星（SNe）からの理論的ダスト生成量を比較することで評価している。結果として、AGB星はダスト生成が不十分かつ希少であるため、観測されたダストを説明することはできず、SNeも最大効率に近いダスト生成効率を要する。これは、銀河間物質（ISM）内での粒子成長が、最も妥当な代替ダスト生成メカニズムである可能性を示唆している。

ABSTRACT

Cosmic dust is an important component of the Universe, and its origin, especially at high redshifts, is still unknown. I present a simple but powerful method of assessing whether dust observed in a given galaxy could in principle have been formed by asymptotic giant branch (AGB) stars or supernovae (SNe). Using this method I show that for most of the galaxies with detected dust emission between z=4 and z=7.5 (1.5-0.7 billion years after the Big Bang) AGB stars are not numerous and efficient enough to be responsible for the measured dust masses. Supernovae could account for most of the dust, but only if all of them had efficiencies close to the maximal theoretically allowed value. This suggests that a different mechanism is responsible for dust production at high redshifts, and the most likely possibility is the grain growth in the interstellar medium.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河（z=4–7.5）における観測されたダスト質量を、漸近巨星分支（AGB）星および超新星（SNe）からの理論的ダスト生成量と比較することで、その起源を特定すること。
• 赤方偏移 z=4–7.5（ビッグバン後0.7–1.5億年）における、AGB星およびSNeといった星形成源が主なダスト生成源として実現可能かどうかを評価すること。
• 初期銀河における観測されたダスト質量が、AGBおよびSNe源からの理論的許容ダスト生成量を上回っているかどうかを評価すること。
• 星形成源が不足する場合に、最も妥当な代替ダスト生成メカニズムを同定すること。

提案手法

• 観測されたダスト質量をスペクトルエネルギー分布（SED）モデリングから得たのに対し、星形成銀河では星質量と初期質量関数（IMF）の仮定に基づき、ダスト生成星の数を推定した。
• 星形成銀河ではSEDフィッティングにより星質量を推定し、クェーサーでは動力学的質量およびガス質量の測定値を用い、M_star = M_dyn - M_gas または M_star < M_dyn を上界として用いた。
• IMFの勾配αを用いて、AGB星（1–8 M☉）およびSNe（8–40 M☉）の数を計算した。4<z<6では質量下限を2.5 M☉、z>6では3 M☉に調整し、主系列を完了した星を反映した。
• 必要なダスト生成量は M_dust / N(M0–M1) として計算し、理論的最大生成量と比較することで実現可能性を評価した。
• 全星質量と質量範囲内の星の数との関係を表す係数fを用い、M_dust/M_star としてのダスト生成量を表現することで、理論的限界と直接比較可能とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 漸近巨星分支（AGB）星は、赤方偏移 z=4–7.5 の高赤方偏移銀河で観測されたダスト質量を生成できるか？
• RQ2 現実的なダスト生成効率を仮定した場合、超新星（SNe）は観測されたダスト質量を生成できるか？
• RQ3 これらの銀河で観測されたダスト質量を説明するには、1つのAGB星またはSNeがどの程度のダスト生成量を必要とするか？
• RQ4 観測されたダスト質量は、AGBおよびSNe源からの理論的最大ダスト生成量を上回っているか？
• RQ5 星形成源が不十分な場合、観測されたダスト質量を説明する代替ダスト生成メカニズムは何か？

主な発見

• 4<z<5 のサブミリメートル銀河では、1つのAGB星が生成する必要があるダスト質量は約0.1 M☉であり、理論的上限（約0.04 M☉）を著しく上回るため、AGB星による主要寄与は排除される。
• これらの銀河におけるSNeの必要ダスト生成量は約0.2–0.7 M☉であり、理論的上限（約1 M☉）に近いかそれを超えるため、SNeが寄与できるのはすべてが最大効率に近い場合に限られる。
• 5<z<6.5 のクェーサーでは、1つのAGB星が生成する必要があるダスト質量は数倍の0.1 M☉であり、SNeでは1 M☉に近いかそれを超える。星形成源では十分でないため、極めて高い効率が要求される。
• z~7.1 のクェーサーでは、必要ダスト生成量はやや低い（AGB星で約0.01 M☉、SNeで約0.02 M☉）が、両源からの寄与は依然として可能性は低い。
• z~6.34 および z~7.5 の星形成銀河では、1つのAGB星が生成する必要があるダスト質量は0.1–1 M☉であり、SNeでは1 M☉を超える。星形成源ではダスト質量を説明できないことが示された。
• 結果として、ダスト質量の急速な蓄積が初期銀河で可能になるため、銀河間物質（ISM）内での粒子成長が、そのタイムスケール（数千万年）が短いため、最も妥当な代替メカニズムであると強く示唆される。