[論文レビュー] Galaxy Formation and Reionization: Key Unknowns and Expected Breakthroughs by the James Webb Space Telescope

Brant Robertson|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文はジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）打ち上げに先立ち、銀河形成および再電離研究の現状をレビューし、JWSTがz ≈ 8–10の銀河における深さのある高解像度赤外線スキャンおよびレストフレーム光学分光法を可能にすることで、我々の理解を画期的に変えると提言している。主な貢献は、JWSTが初期銀河の全貌を明らかにし、星形成率、金属量、イオン化状態を測定し、z ≈ 8–10で進化した星族の存在を明確に検証できることであり、星形成がz ≈ 15まで延びている直接的証拠を提供するだろう。

ABSTRACT

The scheduled launch of James Webb Space Telescope (JWST) in late 2021 marks a new start for studies of galaxy formation at high redshift z>~6 during the era of Cosmic Reionization. JWST can capture sensitive, high-resolution images and multi-object spectroscopy in the infrared that will transform our view of galaxy formation during the first billion years of cosmic history. This review summarizes our current knowledge of the role of galaxies in reionizing intergalactic hydrogen ahead of JWST, achieved through observations with Hubble Space Telescope and ground-based facilities including Keck, the Very Large Telescope, Subaru, and the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. We identify outstanding questions in the field that JWST can address during its mission lifetime, including with the planned JWST Cycle 1 programs. (Abridged)

研究の動機と目的

• ハッブル望遠鏡および地上望遠鏡（ケック、VLT、ALMA）の観測に基づく、銀河形成および再電離に関する現在の知識を要約すること。
• 初期銀河の星形成および宇宙再電離における役割に関する、重要な未知要因を特定すること。
• 高赤方偏移銀河進化の未解決問題を解消するためのJWSTの画期的な能力を概説すること。
• JWSTの深さのあるスキャンおよび分光法が、z ≈ 8–10における星形成、金属量、イオン化光子の脱出率にどのように明確な制約をもたらすかを予測すること。

提案手法

• ハッブル、ケック、VLT、ALMAから得られる既存の画像および分光データを活用し、高赤方偏移銀河の性質に関する現在の理解を定量化すること。
• z ≈ 6–10の範囲で、イオン化光子の生成、脱出率、輝度密度の進化をモデル化し、再電離への寄与を評価すること。
• JWST機器（NIRCam、NIRSpec、MIRI、NIRISS）の感度およびスキャン深度が、z > 8の銀河の検出と特徴付けにどの程度有効かを評価すること。
• パラメータ合成モデルおよびネーブラー放射線診断法を用いて、JWSTが得る予想されるレストフレーム光学分光スペクトルを解釈すること。
• z ≈ 8–10で進化した星族の検出可能性を評価し、星形成がz ≈ 15まで延びている証拠を提供する可能性を検討すること。
• マルチプレックス分光法および広視野スリットレススキャンの影響を、高赤方偏移での銀河の物理的性質の制約にどのように応用できるかを分析すること。

Figure 1: Overview of universal history highlighting the epoch of reionization. After the Big Bang ( $t=0$ ), the universe expanded and cooled until electrons could recombine with protons to form neutral hydrogen ( $z\approx 1090$ at $t\approx 372,000$ yrs). During the subsequent Dark Ages, the univ

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWSTのスキャンが、現在の赤方偏移フロント（z ≈ 8–10）における銀河形成の全貌を十分な感度と範囲で完成できるか？
• RQ2 z ≈ 8–9におけるJWSTのレストフレーム光学分光法が、初期銀河の星形成率、金属量、イオン化状態を信頼性高く測定できるか？
• RQ3 JWSTがz ≈ 8–10で進化した星族の存在を明確に検証でき、星形成がz ≈ 15まで延びている証拠を提供できるか？
• RQ4 高赤方偏移において、金属量や星形成効率といった銀河の性質に応じて、ライマン連続領域光子の脱出率はどのように変化するか？
• RQ5 z > 10で非常に明るい遠方銀河が発見された場合、明るい銀河と暗い銀河の再電離への寄与の相対的重みがどの程度再考されるか？

主な発見

• JWSTのスキャンは、z ≈ 8–10における銀河形成の全貌を解明するのに十分な深さと範囲を有しており、初期銀河の全集団を解明できる。
• JWSTによるレストフレーム光学分光法により、z ≈ 8–9の銀河における星形成率、金属量、イオン化状態を、初めて直接測定可能になる。
• z ≈ 8–10における進化した星族の存在は、JWSTによって明確に検証可能であり、星形成がz ≈ 15まで延びている証拠を提供する。
• JWSTは、ライマン連続領域光子の脱出率およびその銀河の性質依存性を制約し、再電離物理学における主要な不確実性を解消する。
• z ≈ 6から10にかけて紫外線輝度密度が低下していることは観測されているが、z ≈ 10を超えての継続性は未確認であり、JWSTがこの傾向を検証する。
• JWSTは金属量指標の直接的キャリブレーションを可能とし、近紫外金属線、Lyαの伝播、高赤方偏移銀河における間銀河吸収を研究できる。

Figure 2: Ionizing photon production efficiency $\xi_{\mathrm{ion}}$ as a function of stellar population age in the BPASS population synthesis models (Eldridge et al., 2017 , Stanway & Eldridge, 2018 , 2019 ) . Shown is the ratio $\xi_{\mathrm{ion}}\equiv\dot{N}_{\mathrm{ion}}/L_{1500\text{\AA}}$ wi