[論文レビュー] Implications of the cosmic infrared background for light production and the star formation history in the Universe

R. Gispert, G. Lagache+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2000

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、宇宙赤外背景（CIB）を分析して、宇宙における星形成歴および光の生成を制約する。観測されたCIBスペクトルを用いて、ダストが再放射する星光の赤方偏移に伴う遠赤外放射の進化を推定する。その結果、遠赤外背景は、z=0からz=1にかけて10倍以上の増加を示し、その後高赤方偏移で平坦化する必要があることが判明。これは、星形成活動がz≈1–2にピークを示し、赤外銀河が背景を支配しており、宇宙時間に伴い銀河のダスト特性に顕著な進化があることを示唆する。

ABSTRACT

The Cosmic Background due to the integrated radiation from galaxies over the whole life of the Universe is reviewed. We find that this background is well constrained by measurements. The total power in the background is in the range 60-93 nW/m2/sr. The data show the existence of a minimum separating the direct stellar radiation from the infrared part due to radiation reemitted by dust. This reemitted dust radiation is about 1-2.6 time the background power in the optical/near-IR thus much larger than the same ratio measured locally (30%). The far-infrared and submillimeter background is likely to be dominated by redshifted infrared galaxies. The long wavelength spectrum of the background being significantly flatter than the spectrum of these galaxies it strongly constrains the far-infrared radiation production rate history which must increase by a factor larger than 10 between the present time and a redshift 1 and then stays rather constant at higher redshift, contrary to the ultraviolet radiation production rate which decreases rapidly. Several models of galaxy evolution have been proposed to explain the submillimeter background. In this paper we do not propose a new model; we systematically explore the allowed range of evolution histories allowed by the data. If infrared galaxies are mostly powered by starbursts as indicated by recent observations, this infrared production history reflects the history of starbursts in the Universe.

研究の動機と目的

• 宇宙赤外背景（CIB）からの制約を用いて、銀河からの遠赤外放射生成の赤方偏移進化を特定すること。
• 観測されたCIBの放射度とスペクトル形状と整合する可能性のある赤外銀河の進化歴の範囲を探ること。
• CIBが主にダストが再放射する星光によって支配すると仮定し、推定された赤外放射生成率から星形成歴を推定すること。
• 推定された放射生成歴を、星形成および銀河進化に関する他の観測的制約と比較すること。
• モデル依存の仮定を避けるために、スペクトルエネルギー分布（SED）と観測誤差の範囲を体系的に分析すること。

提案手法

• 本論文は、紫外線からサブミリ波長にかけての観測CIBスペクトルを主たる制約として用い、深紫外・遠方銀河源カウントと拡散背景の上限値を統合する。
• 簡略化のため単一周波数発光モデルを仮定し、CIBスペクトルを逆算して赤方偏移ごとの共動距離あたりの放射生成率φ(z)を導出する形式を適用する。
• 放射生成率は、参考周波数ν₀ = 310 THzにおける関係式φν₀(z) ∝ (νIν / 10⁻⁸ Wm⁻²sr⁻¹) × (ν/ν₀)⁻⁵/²を用いて導出される。
• 背景計算にはユークリッド幾何を仮定し、異なる波長帯域におけるCIBスペクトルにべき乗近似を適用する。
• 観測されたCIBの傾きを、進化する銀河からの期待されるスペクトル形状と一致させるために、放射生成率の赤方偏移進化をフィッティングする。
• 観測誤差を考慮しながら、一意なSEDモデルに依存しない形で、SEDと赤方偏移進化歴の範囲を体系的に探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙赤外背景を再現するためには、どの程度の遠赤外放射生成率の赤方偏移進化が必要か？
• RQ2 推定された放射生成歴は、局所宇宙における観測された星形成率密度とどのように比較できるか？
• RQ3 CIBスペクトルを説明するためには、赤外銀河の発光関数が赤方偏移とともにどの程度進化する必要があるか？
• RQ4 CIBスペクトルは、ダスト再放射星光と活動銀河核の寄与にどの程度制約を課すか？
• RQ5 観測されたCIBスペクトル形状と3–10 μm付近の最小値は、支配的源の物理的性質と進化にどのような情報を与えるか？

主な発見

• 全宇宙赤外背景放射の強度は60–93 nWm⁻²sr⁻¹に制約され、光学領域に比べて遠赤外領域に顕著な過剰がある。これは強力なダスト再放射を示唆する。
• 遠赤外と光学領域の背景エネルギー比は1–2.6であり、局所宇宙の値（約30%）と顕著に異なる。これは銀河の性質が宇宙時間に伴い変化したことを示す。
• 遠赤外およびサブミリ波長の背景は、主に高赤方偏移でダストに包まれた赤外銀河、特に星形成爆発期にある銀河に支配されている可能性が高い。
• 放射生成率は、z=0からz=1にかけて10倍以上増加する必要があり、その後高赤方偏移ではほぼ一定に保たれる。これは紫外線生成率の低下とは対照的である。
• 観測されたCIBスペクトルは、個々の赤外銀河のスペクトルよりも平坦である。これは、支配的源が明確に発光度およびスペクトル形状の進化を遂げたことを示唆する。
• z≈1–4の赤方偏移範囲では、仮定された発光周波数（ν₀）に依存せず、放射生成率が推定される。これはスペクトル傾きが非進化状態と一致するためであり、その赤方偏移範囲における推定の堅牢性を確認する。