[論文レビュー] Probing Reionization with the Redshift Distribution of Distant Supernovae

Andrei Mesinger, Benjamin D. Johnson+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、銀河間媒体の加熱による低質量銀河における星形成の急激な抑制が予想されることを根拠に、高赤方偏移における遠方Ia型超新星（SNe）の赤方偏移分布を用いて宇宙再電離を探索することを提案する。JWSTと同等の感度を持つ調査では、z ~ 6で単位赤方偏移あたり数1000個のSNeが検出可能であり、再電離が急速に進行した場合（Δz < 1–3）、低質量ハローにおける星形成の抑制と約10%の星形成効率が顕在化され、再電離の痕跡が明らかになる。

ABSTRACT

By heating the intergalactic medium (IGM) and raising the cosmological Jeans mass, the process of reionization may have abruptly suppressed the star formation rate (SFR) in low-mass galaxies. We analyze the prospects of detecting a corresponding sudden drop in the supernova rate (SNR) around the redshift of reionization (z_re) in future surveys of distant SNe. We assume that the SFR at high redshift traces the formation rate of dark matter halos. We vary both the location and size of the drop in the SFR by varying the redshift of reionization as well as its impact on the SFR in low-mass halos. We make use of the observed properties of local SNe, such as their lightcurves, fiducial spectra, and peak magnitude distributions, to predict the corresponding number of detectable SNe as a function of redshift. We obtain a rate of 0.4-2.3 SNe/arcmin^2/yr at z &gt; 5 at the near infrared (4.5 micron) flux density threshold of 3 nJy (achievable with the James Webb Space Telescope (JWST) in a 10^5 sec integration). In a hypothetical one-year survey, it should be possible to detect up to several thousand SNe per unit redshift at z ~ 6. We find that, as long as (i) reionization is relatively rapid and synchronized over different regions to within \\Delta z &lt;~ 1 -- 3, (ii) the star-formation efficiency in halos that dominate reionization is ~ 10 %, and (iii) reionization notably suppresses the star formation in low-mass halos, such a survey can reveal the signature of reionization out to z_re &lt; 13. Depending on the details of (i) -- (iii), this could be achieved with a survey lasting less than two weeks. Detecting this signature would also help elucidate the feedback mechanism that regulates reionization.

研究の動機と目的

• 再電離期における低質量銀河における星形成の抑制が、高赤方偏移における超新星発生率（SNR）に検出可能な痕跡を残すかどうかを調査すること。
• 将来的な遠方SNeの深宇宙調査を用いて、再電離の赤方偏移（z_re）周辺でのSNRの急激な低下を検出可能かどうかを特定すること。
• 特にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を含む現在および将来の望遠鏡を用いた観測条件下で、その痕跡がどのように観測可能となるかを評価すること。
• 観測されたSNRの進化を低質量ハローにおける星形成の物理的抑制と結びつけることで、再電離フィードバック機構を制約すること。

提案手法

• 再電離期における銀河間媒体の加熱とジュールス質量の増加により、星形成が抑制されるものと仮定し、赤方偏移の関数として低質量ダークマターハロー内の星形成率（SFR）をモデル化する。
• 観測された局所的SNe特性（光曲線、基準スペクトル、ピークマグニチュード分布）を用いて、高赤方偏移における検出可能なSNe発生率を予測する。
• 4.5 μmにおける3 nJyのフラックス密度しきい値（10^5 sのJWST積分時間に対応）を適用して、単位面積および赤方偏移あたりの検出可能SNe数をシミュレートする。
• 再電離の赤方偏移と期間（Δz < 1–3）および再電離を支配するハローにおける星形成効率（約10%）を変化させ、検出可能性をテストする。
• 低質量ハローにおける抑制効果を組み込んだ赤方偏移関数としての超新星発生率密度を計算し、検出可能なSNe数と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移（z > 5）における超新星発生率の急激な低下が、宇宙再電離の痕跡として機能できるか？
• RQ2 具体的には再電離期間と星形成効率が、このSNR抑制の検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 低質量ハローにおける星形成抑制の変動に、再電離痕跡の検出可能性がどの程度敏感に反応するか？
• RQ4 JWSTと同等の能力を持つ観測機器でこの信号を検出するには、どの程度の観測積分時間と調査深度が必要か？

主な発見

• JWSTの感度（4.5 μmで3 nJy、10^5 s積分）を持つ調査では、z > 5で1平方弧分あたり1年間に0.4〜2.3個のSNeが検出可能である。
• 1年間の調査では、調査深度と感度に応じて、z ~ 6で単位赤方偏移あたり数1000個のSNeが検出可能となる可能性がある。
• 再電離が速やかで、領域が同期的である場合（Δz < 1–3）、たとえ2週間未満の短い調査期間であっても、再電離の痕跡は検出可能である。
• 星形成効率が約10%で、低質量ハローにおける星形成が顕著に抑制されている場合、検出は最も信頼性が高い。
• このSNR低下を検出することは、再電離を制御するフィードバック機構に対する直接的な観測的証拠を提供する。