[論文レビュー] Measuring Light from the Epoch of Reionization with CIBER, the Cosmic Infrared Background Experiment

M. Zemcov, Toshiaki Arai+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2011

Superconducting and THz Device Technology被引用数 4

ひとこと要約

CIBERは、宇宙背景赤外放射（CIB）とその空間的揺らぎを測定し、再イオン化時代（EoR）からの光を調査する。これは、全バンド幅イメージャ、低分解能分光器、高分解能分光器を搭載したサウンドロケット搭載ペイロードを用い、帯電星間物質光をマッピングする。初飛行では、拡散的近赤外背景レベルを確認し、再イオン化の痕跡を制限した。今後のミッション、CIBER-2およびZEBRAは、外太陽系での感度向上と、明確なEoR測定を可能にする。

ABSTRACT

Ultraviolet emission from the first generation of stars in the Universe ionized the intergalactic medium in a process which was completed by z~6; the wavelength of these photons has been redshifted by (1+z) into the near infrared today and can be measured using instruments situated above the Earth's atmosphere. First flying in February 2009, the Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER) comprises four instruments housed in a single reusable sounding rocket borne payload. CIBER will measure spatial anisotropies in the extragalactic IR background caused by cosmological structure from the epoch of reionization using two broadband imaging instruments, make a detailed characterization of the spectral shape of the IR background using a low resolution spectrometer, and measure the absolute brightness of the Zodical light foreground with a high resolution spectrometer in each of our six science fields. This paper presents the scientific motivation for CIBER and details of its first two flights, including a review of the published scientific results from the first flight and an outlook for future reionization science with CIBER data.

研究の動機と目的

• 赤外外銀河背景（EBL）とその空間的非均一性を測定し、最初の星が銀河間媒体をイオン化した再イオン化時代（EoR）を調査すること。
• 解像された銀河のカウントの統合と絶対光度測定によるEBLの不一致を解消するため、EBLからの微弱で拡散的な発光を検出すること。
• 近赤外EBLのスペクトル形状を特徴付け、帯電星間物質光などの前景を差し引いて再イオン化信号を分離すること。
• CIBER-2やZEBRAなどの今後のミッションを通じて、EoR揺らぎへの感度を向上させ、太陽系中心距離5 AUを超える領域での観測を拡張すること。
• 特に電波およびミリ波長法が限界に達する領域において、近赤外背景揺らぎを用いた初期星形成歴史の補足的制限を提供すること。

提案手法

• CIBERは、4台の機器を搭載した再利用可能なサウンドロケットペイロードを用いる。2台の全バンド幅イメージャはEBLの空間非均一性を測定し、低分解能分光器（LRS）はEBLスペクトルの形状を測定し、2台の高分解能分光器（HRS）は帯電星間物質光の前景をマッピングする。
• ペイロードは300 kmを超える高度で飛行し、大気からの放射と吸収の大部分を避けることで、近赤外天の高動態範囲測定を可能にする。
• LRSは0.7〜2.1 μmの波長域でEBLスペクトルを測定し、最初の星からの赤シフトされた紫外発光におけるリューマンカット特徴を検出可能にする。
• HRS機器は6つの異なる天の領域で帯電星間物質光を高分解能分光測定し、EBL信号からこの主要な前景をモデル化・差し引く。
• 初飛行2回分のデータは、前景モデルのキャリブレーションと、近赤外背景におけるEoR揺らぎの振幅の制限に使用される。
• 今後のミッション、CIBER-2では、望遠鏡の開口部とバンド数（2から4に）を拡大し、CIBERに比べてEoR揺らぎへの感度を約10倍向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再イオン化時代が印加した近赤外外銀河背景光（EBL）の振幅と空間パワースペクトルは何か？
• RQ2 拡散的近赤外EBLは、最初の星からの発光をどの程度含んでおり、解像された銀河からの統合光と比べてどうか？
• RQ3 光学的および近赤外測定の間で、再イオン化のリューマンカット特徴が近赤外EBLスペクトルに検出可能か？
• RQ4 帯電星間物質光の前景を正確にモデル化し、微弱な再イオン化信号を分離するにはどうすればよいか？
• RQ5 外太陽系で直接光度測定により再イオン化背景を検出する見通しはどの程度か？帯電星間物質光は著しく低減される。

主な発見

• 初飛行でCIBERは0.7〜2.1 μmの近赤外EBLスペクトルを高動態範囲で測定し、解像された銀河で説明できない拡散的背景成分の存在を確認した。
• 3.6 μmでの測定EBL（12.4 ± 3.2 nW m⁻² sr⁻¹）は、深宇宙スパイクル調査からの統合カウント（6–9 nW m⁻² sr⁻¹）を上回っており、顕著な未解像化拡散成分があることを示唆している。
• CIBERの高分解能分光器は、6つの領域にわたる帯電星間物質光の前景を成功裏にマッピングし、EBL信号からのこの主要な前景を正確に差し引くことができた。
• 初飛行では、近赤外EBLにおけるEoR由来の揺らぎの振幅が制限され、再イオン化光学的厚さと初期星形成がEBLに与える寄与の制限が得られた。
• CIBER-2は、4バンドでEoR揺らぎへの感度を約10倍向上させ、再イオン化信号を検出する理論的感度の下限に近づく見通しである。
• ZEBRAミッションの概念は、外太陽系（>5 AU）に配置を想定しており、帯電星間物質光を約1000倍低減できるため、再イオン化背景の決定的光度測定が可能になる。