[論文レビュー] SKA Key science project: Radio observations of cosmic reionization and first light

C. L. Carilli|ArXiv.org|Feb 12, 2008

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、中性水素の21cm線を観測することで、宇宙の再イオン化および最初の銀河の形成を直接的に探査するため、電波干渉計のSquare Kilometre Array（SKA）の利用を提案している。低周波電波観測を活用することで、SKAは初期宇宙における大規模構造をマッピング可能であり、10%のSKAデモ機でも、特に45 GHzまで周波数帯域を拡張することで、熱放射に対して感度が4倍に向上するため、変革的感度を発揮する。これにより、高赤方偏移銀河の星形成およびイオン化過程に関する画期的な研究が可能になる。

ABSTRACT

I update the SKA key science program (KSP) on first light and cosmic reionization. The KSP has two themes: (i) Using the 21cm line of neutral hydrogen as the most direct probe into the evolution of the neutral intergalactic medium during cosmic reionization. Such HI 21cm studies are potentially the most important new window on cosmology since the discovery of the CMB. (ii) Observing the gas, dust, star formation, and dynamics, of the first galaxies and AGN. Observations at cm and mm wavelengths, provide an unobscured view of galaxy formation within 1 Gyr of the Big Bang, and are an ideal complement to the study of stars, ionized gas, and AGN done using near-IR telescopes. I summarize HI 21cm signals, challenges, and telescopes under construction. I also discuss the prospects for studying the pre-galactic medium, prior to first light, using a low frequency telescope on the Moon. I then review the current status of mm and cm observations of the most known distant galaxies (z > 6). I make the simple argument that even a 10% SKA-high demonstrator will have a profound impact on the study of the first galaxies. In particular, extending the SKA to the 'natural' atmospheric limit (set by the O_2 line) of 45 GHz, increases the effective sensitivity to thermal emission by another factor four.

研究の動機と目的

• 宇宙の再イオン化および銀河間媒体の進化を直接的に探査するため、中性水素の21cm線を最も直接的なプローブとする。
• 電波のcmおよびmm波長観測を用いて、赤方偏移z ≥ 6における最初の銀河およびAGNのガス・ダスト・星形成・力学的状態を研究する。
• 10%のSKAデモ機が、特に45 GHzまで周波数帯域を拡張した場合に、高赤方偏移銀河からの熱放射を検出するための画期的感度を示すことを実証する。
• 月面上に設置された低周波電波望遠鏡が、宇宙の暗黒時代における原始的中性媒体をプローブする可能性を検討する。
• 近い将来に運用予定の望遠鏡（SKA、ALMA、EVLA、JWST）が、原始銀河からの分子線および連続スペクトル放射を検出する能力を比較する。

提案手法

• 大規模構造シミュレーションを用いて、宇宙の再イオン化期における中性水素の21cm輝度温度揺らぎをモデル化する。
• 高赤方偏移クェーサー分光スペクトルにおけるGunn-Peterson効果およびCMBの大規模偏光から得られる観測的制約を分析し、イオン化歴を推定する。
• 輝度温度および放射度予測を用いて、SKAフェーズIおよび拡張されたSKA（最大45 GHzまで）が高赤方偏移銀河からの熱放射に与える感度を評価する。
• z = 5の銀河（Arp 220と同等の周波数領域放射率を有する）からのCO線放射および連続スペクトル放射に対するEVLA、SKAフェーズI、ALMAの感度を比較する。
• 大気中のO2吸収線がcm波長帯望遠鏡の自然な高周波数カットオフを決定することを評価し、45 GHzまで観測帯域を拡張することで得られる感度向上を分析する。
• シミュレートされた放射スペクトルを用いて、異なる望遠鏡および赤方偏移におけるCO(1-0)、CO(2-1)、[CII] 158 μm、および自由自由/熱的ダスト連続スペクトルの検出閾値を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性水素の21cm放射は、どのように宇宙の再イオン化および銀河間媒体の進化を空間的に分解能をもって直接的プローブすることができるか？
• RQ2 SKAの運用周波数帯域を45 GHzまで拡張することで、どのような感度的利点が得られ、高赤方偏移銀河からの熱放射検出がどのように向上するか？
• RQ3 cmおよびmm波長観測は、赤方偏移z ≥ 6における最初の銀河およびAGNを研究するにあたり、近赤外および可視光スクリーニングとどのように補完し合うか？
• RQ4 月面上の低周波電波望遠鏡は、宇宙の暗黒時代における原始的中性媒体からの21cm信号を検出可能か？
• RQ5 SKA、ALMA、EVLA、JWSTは、原始銀河からの分子線および連続スペクトル放射を検出するにあたり、それぞれどのような相対的検出能力を有するか？

主な発見

• 10%のSKAデモ機、特に45 GHzまで周波数帯域を拡張した場合、22 GHz設計と比較して熱放射への感度が4倍に向上し、高赤方偏移銀河の検出能力が顕著に向上する。
• SKAフェーズIの設計は、大規模な受光面積を有するため、z > 10までの赤方偏移で通常の星形成銀河からのCO(1-0)およびCO(2-1)放射を検出可能であり、再イオン化時代の探査が可能になる。
• ALMAは、高赤方偏移銀河における高次CO遷移および[FeII] 158 μmのような微細構造線を検出すると予想されるが、短いcm波長帯の望遠鏡（例：SKA）は、分子ガスおよび自由自由放射の検出に最適である。
• EVLAおよびSKAフェーズIは、ALMAに比べて分子線銀河の広域および広帯域スクリーニング能力に優れており、高赤方偏移宇宙における効率的なブラインドスキャンが可能になる。
• FIR放射率が約10¹² L⊙のz = 5銀河からの連続スペクトル放射は、SKAフェーズIが45 GHzで50–200 GHzのレストフレーム帯域で検出可能であり、自由自由放射はダストに依存しない星形成率の測定を可能にする。
• cm波長帯望遠鏡の自然な高周波数限界は約45 GHzにあり、この周波数まで観測を拡張することで、ベースライン要件が2倍に緩和され、熱的源に対する感度が4倍に向上する。