[論文レビュー] Japanese Cosmic Dawn/Epoch of Reionization Science with the Square Kilometre Array

Kenji Hasegawa, Shinsuke Asaba+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

History and Developments in Astronomy参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、宇宙の最初の星形成期（コズミック・ドーン）と再電離期（EoR）を解明するための電波望遠鏡・スーパーキロメートルアレイ（SKA）における日本の科学的貢献を提示する。特に、相対的流動運動によるダークマター・ハロー形成の抑制をモデル化することに焦点を当てている。N体シミュレーションと修正されたプレス＝シェクター形式を用いて、相対速度がハローの崩壊を遅らせる仕組みを定量的に評価し、M ~ 10⁵ M⊙/hの質量領域でハローの数密度が最大80％まで減少することを示した。この影響は21cm信号の予測や再電離歴史のモデリングに顕著に現れる。

ABSTRACT

Cosmic reionization is known to be a major phase transition of the gas in the Universe. Since astronomical objects formed in the early Universe, such as the first stars, galaxies and black holes, are expected to have caused cosmic reionization, the formation history and properties of such objects are closely related to the reionization process. In spite of the importance of exploring reionization, our understandings regarding reionization is not sufficient yet. Square Kilometre Array (SKA) is a next-generation large telescope that will be operated in the next decade. Although several programs of next-generation telescopes are currently scheduled, the SKA will be the unique telescope with a potential to directly observe neutral hydrogen up to z~30, and provide us with valuable information on the Cosmic Dawn (CD) and the Epoch of Reionization (EoR). The early science with the SKA will start in a few years; it is thus the time for us to elaborate a strategy for CD/EoR Science with the SKA. The purpose of this document is to introduce Japanese scientific interests in the SKA project and to report results of our investigation.

研究の動機と目的

• コズミック・ドーン期および再電離期におけるバリオンとダークマターの超音速相対運動がダークマター・ハロー形成に与える影響を調査すること。
• これらの相対運動が、電離光子の主要な供給源であるミニハローを含む低質量ハローの数密度に与える定量的影響を特定すること。
• 相対速度効果に起因するハロー崩壊遅延を組み込んだ修正プレス＝シェクター形式を構築し、正確な21cm信号シミュレーションを可能とすること。
• ハロー形成の抑制がSKAで観測可能な21cmフォレストおよびパワースペクトル信号に与える影響を評価すること。
• EoR観測に関連する初期構造形成の詳細な物理モデリングを提供することで、国際的なSKA科学活動を支援すること。

提案手法

• バリオンとダークマターの間の一様な相対速度（vbc = 30 km/s）を仮定した、孤立したダークマター・ハローの崩壊を再現するN体シミュレーションを実施する。
• 半アナリティカルな球対称崩壊モデルを用いて、密度対比を考慮したハローの運動方程式を導出する。この際、バリオン質量（Mb）とダークマター質量（Mc,i）を別々に取り扱う。
• 相対速度効果に起因する崩壊遅延を反映させるために、臨界密度閾値˜δcritを調整した修正プレス＝シェクター形式を導入する。
• 再結合時の相対速度分布f(vbc)を組み込んだ質量関数˜n(M,z)を導出し、統計的ハロー数密度予測を可能にする。
• 流動効果あり・なしの両シナリオにおけるハロー質量関数を比較し、赤方偏移（z = 10 から z = 30）にわたる抑制度を定量的に評価する。
• 得られたハロー数密度比を質量および赤方偏移の関数として解析し、再電離および21cm信号に与える影響を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオンとダークマターの超音速相対運動が、低質量ダークマター・ハローの形成にどのように抑制的影響を与えるか？
• RQ2 高赤方偏移（z ≈ 30）におけるミニハロー（M ~ 10⁵ M⊙/h）の数密度に、流動運動が及ぼす定量的影響は何か？
• RQ3 流動運動に起因するハロー崩壊遅延は、ハロー質量、赤方偏移、および相対速度の振幅にどのように依存するか？
• RQ4 ハロー形成の抑制は、再電離期における21cmフォレストおよびパワースペクトル信号の予測に、どの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 修正プレス＝シェクター形式は、EoRシミュレーションに必要なハロー質量関数に、流動運動の効果を的確に捉えうるか？

主な発見

• バリオンとダークマターの超音速流動運動は、ハローの崩壊を遅らせるが、特に小スケールでその効果が顕著に現れる。
• 質量M ≤ 10⁸ M⊙/hのダークマター・ハローの数密度は、流動運動によって抑制され、特にM ~ 10⁵ M⊙/hのスケールで最大の抑制が観測される。
• z = 30では、M ~ 10⁵ M⊙/hのスケールでハロー数密度が80％まで低下するが、z = 10では約50％の抑制が観察される。
• 崩壊遅延は、ハロー内でのバリオン質量の減少と関連しており、その遅延度は流動がない場合のハロー形成赤方偏移に依存する。
• 修正プレス＝シェクター形式は、臨界密度閾値˜δcritを相対速度効果に合わせて調整することで、抑制効果を的確に再現している。
• 21cm信号の信頼できる予測には、流動運動の正確なモデリングが不可欠であり、ハロー抑制は電離光子供給量と再電離歴史に顕著な影響を及ぼす。