[論文レビュー] Let there be Light: the Emergence of Structure out of the Dark Ages in the Early Universe

Abraham Loeb|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 106被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、宇宙の暗黒時代および再結合期を調べるための理論的・観測的枠組みをレビューし、中性水素からの21cm電波放射が、宇宙における最初の構造の出現を明らかにする方法に焦点を当てる。近い将来の電波アレイおよび赤外望遠鏡が、初期の宇宙における水素の揺らぎをマッピングする方法を詳述し、21cmパワー スペクトルが原始密度揺らぎをクリーンに探査する手段となり、ライマン＝アルファ結合およびX線加熱を通じた最初の銀河の間接的検出を可能にする。

ABSTRACT

The initial conditions of our Universe can be summarized on a single sheet of paper. Yet the Universe is full of complex structures today, such as stars, galaxies and groups of galaxies. In this review I describe the standard theoretical model for how complexity emerged from the simple initial state of the Universe at early cosmic times through the action of gravity. In order to test and inform the related theoretical calculations, large-aperture telescopes and arrays of radio antennae are currently being designed and constructed. The actual transition from simplicity to complexity has not been observed as of yet. The simple initial conditions were already traced in maps of the microwave background radiation, but the challenge of detecting the first generation of galaxies defines one of the exciting frontiers in the future of cosmology. Once at hand, the missing images of the infant Universe might potentially surprise us and revise our current ideas.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における原始的で暗黒的な状態から宇宙構造がどのように形成されたかを理解すること。
• 高赤方偏移銀河および中性水素からの21cm信号を標的とする観測プログラムの動機付けと指針を提供すること。
• 特に再結合期に、21cm揺らぎにおける根本的な宇宙論的信号と天体物理学的汚染物質を区別すること。
• 原始密度揺らぎのクリーンなプローブとして、$P_{\mu^4}(k)$ パワー スペクトルを隔離することで、正確な宇宙論を可能にすること。
• 最初の星や銀河が宇宙間媒体に与える影響を通じて、検出可能なシグネチャを予測すること。これには、ライマン＝アルファ結合およびX線加熱が含まれる。

提案手法

• 線形摂動理論と流体力学的シミュレーションを用いて、ダークマターのポテンシャルウエル内でのバリオンガスの進化をモデル化する。
• ガス密度、スピン温度、イオン化度数を考慮した、赤方偏移関数としての21cmの明るさ温度揺らぎを計算する。
• 密度、速度、等方的揺らぎに寄与する3つの異なるパワー スペクトル、$P_{\mu^4}(k)$、$P_{\mu^2}(k)$、$P_{\mu^0}(k)$ を導出する。
• $P_{\mu^4}(k)$ スペクトルを、星間放射に依存しない、$z > 20$ における初期ガス密度揺らぎの強固なプローブとして用いる。
• 最初の銀河の観測的シグネチャを予測するために、ライマン＝アルファ放射およびX線加熱が21cm揺らぎに与える影響を組み込む。
• 理論的予測を応用し、スカイ・メートル・アレイおよびそのプロトタイプである将来の電波アレイによる21cm信号の検出可能性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性水素からの21cm電波放射は、どのようにして暗黒時代および再結合期における宇宙ガスの三次元的分布をマッピングできるか？
• RQ2 ライマン＝アルファ結合やX線加熱といった物理的過程が21cm揺らぎに寄与する仕組みは何か。また、それらを原始密度揺らぎから分離するにはどうすればよいか？
• RQ3 $P_{\mu^4}(k)$ パワー スペクトルが、初期構造形成のクリーンで放射に依存しないプローブとしてどのように機能するか？
• RQ4 最初の星や銀河が21cm信号に残す観測的シグネチャは何か。非線形的フィードバック効果が存在する中で、それらをどのように検出できるか？
• RQ5 予測された21cmパワー スペクトルは赤方偏移とともにどのように変化するか。また、それらはCMBに刻まれた初期条件から宇宙構造の成長がどのように明らかになるかを示唆するか？

主な発見

• $z > 20$ における $P_{\mu^4}(k)$ パワー スペクトルは、星間放射に依存せず、原始ガス密度揺らぎのクリーンなプローブを提供する。
• $z > 20$ において、21cmパワー スペクトルは、大スケールで光子-バリオン音響振動の痕跡と、小スケールでバリオン圧力抑制の両方を示す。
• 初期星からのライマン＝アルファフラックスの揺らぎが測定可能な21cm非等方性を引き起こし、$z \sim 20$ における最初の銀河の間接的検出を可能にする。
• 初期源からのX線加熱は、X線フラックスの空間的変動に起因して強い21cm揺らぎを生じさせ、別の観測可能なシグネチャを提供する。
• ガス密度と21cm揺らぎの相関（$P_{\mu^2}(k)$）は、再結合期におけるイオン化歴および星形成率に敏感である。
• ライマン＝アルファ結合期における21cm揺らぎの振幅が著しく増大し、これにより将来の電波アレイによる検出可能性が著しく向上する。