[論文レビュー] Effect of the cosmological transition to metal-enriched star-formation on the hydrogen 21-cm signal

Mattis Magg, Itamar Reis+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 121被引用数 42

ひとこと要約

本研究では、原始星（第3世代）から金属を含む星（第2世代）への移行が、宇宙の夜明け期におけるグローバル21cm信号に与える影響を調査するため、半アナリティカルモデルを開発した。最初の超新星発生から2番目の世代の星形成が始まるまでの回復時間（10–100 Myr）を変化させることで、21cm信号の形状、特に赤方偏移依存性と急激な傾きの変化が、この遅延に強く依存することを示した。これにより、最初の星の初期質量関数および反動効率を制約するための観測的プローブが得られる可能性がある。

ABSTRACT

Mapping Cosmic Dawn with 21-cm tomography offers an exciting new window into the era of primordial star formation. However, self-consistent implementation of both the process of star formation and the related 21-cm signal is challenging, due to the multi-scale nature of the problem. In this study, we develop a flexible semi-analytical model to follow the formation of the first stars and the process of gradual transition from primordial to metal-enriched star formation. For this transition we use different in scenarios with varying time-delays (or recovery times) between the first supernovae and the formation of the second generation of stars. We use recovery times between 10 and 100\,Myr and find that these delays have a strong impact on the redshift at which the transition to metal-enriched star formation occurs. We then explore the effect of this transition on the 21-cm signal and find that the recovery time has a distinctive imprint in the signal. Together with an improved understanding of how this time-delay relates to the properties of Population~III stars, future 21-cm observations can give independent constraints on the earliest epoch of star formation.

研究の動機と目的

• 宇宙の夜明け期における金属フリーな星形成から金属を含む星形成への移行が21cm信号に与える影響を理解すること。
• 最初の超新星発生から2番目の世代星形成の開始までの遅延（回復時間）が21cm信号に与える依存関係を調査すること。
• 第3世代星の初期質量関数および反動効率に関連する回復時間の変動が、21cm信号の形にどのように影響を与えるかを検討すること。
• 将来の21cm観測が、信号の時間的変化を通じて最初の星の性質およびその形成環境をどの程度制約できるかを評価すること。

提案手法

• Uchuu N体シミュレーションのマージャー木を用いて、第3世代および第2世代星の形成をモデル化するための半アナリティカルコード a-sloth を使用する。
• 速やか（10 Myr）、中程度（30 Myr）、遅い（100 Myr）の3つの異なる回復時間シナリオを設定し、第3世代から第2世代星形成への移行を模擬する。
• 得られた星形成歴を、大規模な半数値的21cmシミュレーションに適用し、グローバル信号およびパワー スペクトルを計算する。
• 星からのUVおよびX線放射を組み込むことで、スピン温度およびイオン化構造を用いて21cmの輝度温度を計算する。
• Uchuu シミュレーションを用いて、半アナリティカルモデルの入力として大規模な密度構造およびハローのマージャー木構造を提供する。
• 異なる回復時間シナリオにおける21cm信号を比較し、観測的に識別可能な特徴を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の超新星発生から2番目の世代星形成の開始までの回復時間が、宇宙の夜明け期における21cm信号にどのように影響を与えるか？
• RQ2 第3世代から第2世代星形成への移行時間スケールが異なる場合、21cmグローバル信号およびパワー スペクトルにどのような観測可能なシグネチャが現れるか？
• RQ3 速やか、中程度、遅い移行を区別できるか？それぞれの状況が成立する物理的条件は何か？
• RQ4 最初の星の性質、特に初期質量関数および反動効率が、移行時間スケールを通じて21cm信号にどのように現れるか？
• RQ5 将来の21cm観測が、移行のインプリントを通じて、第3世代星の初期質量関数および星形成効率をどの程度まで制約できるか？

主な発見

• 最初の超新星発生から第2世代星形成の開始までの回復時間が、21cm信号に強くかつ明確なインプリントを残しており、異なる時間スケールが定量的に異なる信号形状を生じさせることを示した。
• 遅い移行（100 Myrの回復時間）では、21cm信号の発現が遅れ、第3世代星が長期間にわたり支配的となり、高赤方偏移域で特徴的な急激な傾きの変化を示す。
• 速やか（10 Myr）および中程度（30 Myr）の移行では、遅い移行に比べて21cm信号がより急峻となり、迅速な反動および効率的な第2世代星形成に起因して、早期かつ顕著な特徴が現れる。
• マスティブな第3世代星と強いペア不安定性超新星、または1ハローあたり複数回の超新星を伴う遅い移行シナリオは、z ≈ 17付近でのEDGESの懸念される検出結果と整合しない。これは、早期かつ強いLy-αおよびX線放射を要する。
• 速やかまたは中程度の移行シナリオ（低第3世代星形成効率および弱い反動を示唆）はEDGES信号と整合性が高く、1ハローあたり少数または低エネルギーの超新星が関与している可能性を示唆している。
• 宇宙の夜明け期の21cm信号は、回復時間が星の性質と信頼性を持って関連付けられる限り、第3世代星の初期質量関数および反動効率を独立して制約するためのプローブとして機能しうる。