[論文レビュー] Measuring energy production in the Universe over all wavelengths and all time

Simon P. Driver|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、全波長および全宇宙的時間にわたるエネルギー生成をモデル化することで、宇宙スペクトルエネルギー分布（CSED）を測定する統一フレームワークを提案する。統合銀河カウントとダスト再放射モデルを用い、UVから遠赤外域までにかけての銀河間背景光（EBL）を約30%の精度で予測可能であり、今後の観測施設により1%の精度が達成可能となり、星形成およびAGNの進化に関する検証可能なテストが可能となる。

ABSTRACT

The study of the extragalactic background light (EBL) is undergoing a renaissance. New results from very high energy experiments and deep space missions have broken the deadlock between the contradictory measurements in the optical and near-IR arising from direct versus discrete source estimates. We are also seeing advances in our ability to model the EBL from gamma-ray to radio wavelengths with improved dust models and AGN handling. With the advent of deep and wide spectroscopic and photometric redshift surveys, we can now subdivide the EBL into redshift intervals. This allows for the recovery of the Cosmic Spectral Energy Distribution (CSED), or emissivity of a representative portion of the Universe, at any time. With new facilities coming online, and more unified studies underway from gamma-ray to radio wavelengths, it will soon be possible to measure the EBL to within 1 per cent accuracy. At this level correct modelling of reionisation, awareness of missing populations or light, radiation from the intra-cluster and halo gas, and any signal from decaying dark-matter all become important. In due course, the goal is to measure and explain the origin of all photons incident on the Earth's surface from the extragalactic domain, and within which is encoded the entire history of energy production in our Universe.

研究の動機と目的

• 宇宙光学的・赤外背景（COB/CIB）の直接測定値と統合銀河カウント測定値の間にある長年の不一致を解消すること。
• 一貫した物理的仮定に基づき、γ線から電波に至るまでの全EBLをモデル化すること。
• 宇宙スペクトルエネルギー分布（CSED）を、宇宙の歴史にわたるエネルギー生成の時間分解測定として再構築すること。
• 今後の高精度データとの比較を通じて、星形成歴、ダストモデル、AGN寄与の検証可能なテストを可能にすること。
• 近い将来の多波長調査を活用し、地球に到達する全外銀河的光子フラックスを1%の精度で測定する基盤を築くこと。

提案手法

• UVから遠赤外域の波長域にわたり、EBLを制約するため、統合銀河カウント（IGL-EBL）と直接背景測定（direct-EBL）を用いる。
• チャブリエ初期質量関数（IMF）、Daleら（2019）によるダスト減光、星形成歴に従った金属量の追跡を含む一貫した物理モデルを適用する。
• 星光のダスト再放射をモデル化し、初期光子の約50%が遠赤外域に再放射されることを示し、観測的制約と整合的である。
• EBLを赤方偏移のチャンクに分割することで、宇宙の歴史にわたるエネルギー生成の時間分解追跡が可能な宇宙スペクトルエネルギー分布（CSED）を構築する。
• 深紫外分光および光度赤方偏移調査（例：DEVILS、WAVES、MOONS、PFS）を用い、10億年単位の時間スライスにEBLを分解する。
• 銀河位置におけるX線および電波データのスタッキングを組み合わせ、X線および電波領域における拡散寄与を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COB/CIBの直接測定値と統合銀河カウント測定値の不一致は、物理的に整合的なモデルによって解消可能か？
• RQ2 現在のデータと改善されたダストおよびAGN物理学を用いて、UVから電波に至るまでの全EBLをどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 宇宙スペクトルエネルギー分布（CSED）は、どの程度の精度で再構築可能であり、異なる宇宙時代におけるエネルギー生成を追跡できるか？
• RQ4 1%未満の測定精度において、欠落している集団、銀河団内ガス、または崩壊するダークマターがEBLの形状に果たす役割は何か？
• RQ5 今後の調査（例：JWST、Euclid、LSST、eROSITA、CTA）により、UVから中赤外域にかけてのEBLを1%の精度で測定可能か？

主な発見

• モデルは、光学的から遠赤外域にかけての観測COBおよびCIBを、測定不確かさの範囲内で約30%の精度で再現する。
• 75億年前の宇宙スペクトルエネルギー分布（CSED）は、遮蔽されていないおよび遮蔽されたAGNおよびディスク成分がエネルギー生成を支配していたことを示す。
• モデルは、宇宙の星形成歴とダストおよびIMFに関する基本的仮定のみを用いて、現在のEBLを成功裏に予測する。
• HST SkySURF、VST KiDS、VISTA VIKING、DEVILSなどの今後の調査により、UVから近赤外域にかけてのEBLを約3%の精度で測定可能となる。
• 深紫外分光調査と改善された電波およびX線スタッキング技術の組み合わせにより、CSEDの測定がX線および電波領域へと拡張可能となる。
• Messier、Euclid、Roman、LSSTなどの今後の施設を活用することで、UVから中赤外域にかけてのEBLを1%の制約にまで高めることが、今世紀中ごろまでに可能となる。