[論文レビュー] The Cosmic Dawn and Epoch of Reionization with the Square Kilometre Array

L. V. E. Koopmans, Jonathan R. Pritchard+43 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|May 28, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、電波望遠鏡の平方キロメートルアレイ（SKA1およびSKA2）が、宇宙の暁（z ~ 30–15）および再電離時代（z ~ 15–6）における中性水素の赤方偏移21cm線放射を直接撮像可能であると提唱している。このとき、1mKの輝度温度まで達する感度と、アーク分から度単位の分解能を実現する。SKAが有する独自の感度とダイナミックレンジのおかげで、中性水素のフラクチュエーションのトモグラフィックマッピングが可能となり、現在および計画中の施設（例：JWST）では到達できない範囲の宇宙論的・IGM物理学的現象、および最初の光源の探査が可能となる。

ABSTRACT

Concerted effort is currently ongoing to open up the Epoch of Reionization (EoR) ($z\sim$15-6) for studies with IR and radio telescopes. Whereas IR detections have been made of sources (Lyman-$α$ emitters, quasars and drop-outs) in this redshift regime in relatively small fields of view, no direct detection of neutral hydrogen, via the redshifted 21-cm line, has yet been established. Such a direct detection is expected in the coming years, with ongoing surveys, and could open up the entire universe from $z\sim$6-200 for astrophysical and cosmological studies, opening not only the EoR, but also its preceding Cosmic Dawn ($z\sim$30-15) and possibly even the later phases of the Dark Ages ($z\sim$200-30). All currently ongoing experiments attempt statistical detections of the 21-cm signal during the EoR, with limited signal-to-noise. Direct imaging, except maybe on the largest (degree) scales at lower redshifts, as well as higher redshifts will remain out of reach. The Square Kilometre Array(SKA) will revolutionize the field, allowing direct imaging of neutral hydrogen from scales of arc-minutes to degrees over most of the redshift range $z\sim$6-28 with SKA1-LOW, and possibly even higher redshifts with the SKA2-LOW. In this SKA will be unique, and in parallel provide enormous potential of synergy with other upcoming facilities (e.g. JWST). In this chapter we summarize the physics of 21-cm emission, the different phases the universe is thought to go through, and the observables that the SKA can probe, referring where needed to detailed chapters in this volume (Abridged).

研究の動機と目的

• 赤方偏移21cm線放射を用いた宇宙の暁および再電離時代の探査に向けた平方キロメートルアレイ（SKA）の科学的潜在能力を概説すること。
• SKA1-LOWを用いた高感度トモグラフィックマッピングを実現するための三段階の調査戦略（浅い、中程度深さ、深い）を定義すること。
• 特に高赤方偏移（z > 20）および大スケールにおいて、SKA1およびSKA2が21cm信号の空間的・スペクトル的構造をどのように解像できるかを評価すること。
• JWST、ALMA、Euclid、および強度マッピングアレイなどの今後の施設と、SKA1/2の相乗効果を定量化すること。
• SKA1-LOWを用いた7,500時間の地上観測が可能かどうかを評価すること。時間割り当ておよび観測条件を含む。

提案手法

• SKA1-LOWを用いた三段階の調査戦略（浅い、中程度深さ、深い）を設計し、赤方偏移z ~ 6–28の範囲を、感度と分解能を変えてカバーすること。
• 300 MHz帯域幅を有するSKA1-LOWのベースライン設計を採用し、2つの150 MHzビームに分割することで、マルチビーム化と効率的なデータ収集を実現すること。
• 統計的およびトモグラフィック解析手法を用い、アーク分スケールで約1 mKの21cm輝度温度フラクチュエーションを検出すること。
• Wouthuysen-Field効果を活用してスピン温度の結合をモデル化し、宇宙の暁における吸収・発光状態の区別を可能にすること。
• 電離源、X線加熱、バルクフローの影響が21cmパワースペクトルおよび輝度温度対比に与える影響をシミュレーションすること。
• SKA1からSKA2に移行するにあたり、感度およびダイナミックレンジの向上を評価し、特に高赤方偏移での到達範囲拡大と、高次統計および空間歪みの信号対雑音比の向上を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA1-LOWは、宇宙の暁および再電離時代にわたり、アーク分から度単位の分解能で中性水素の21cm線放射を直接撮像可能か？
• RQ2 SKA1-LOWを用いた場合、21cm信号の最小検出輝度温度はどの程度か？また、トモグラフィック再構成に必要な1mKレベルに達するか？
• RQ3 SKA1およびSKA2は、現在の統計的21cm調査と比較して、高赤方偏移IGMにおける空間的・スペクトル的構造をどのように高解像度で解像できるか？
• RQ4 7,500時間の地上観測時間予算内で科学的成果を最大化する最適な調査戦略（浅い、中程度深さ、深い）は何か？
• RQ5 SKAの感度と分解能は、JWST、ALMA、または強度マッピング実験では到達できない、どのような独自の科学的探査を可能にするか？

主な発見

• SKA1-LOWは、宇宙の暁および再電離時代にわたり、アーク分スケールで約1 mKの輝度温度まで達する感度で、中性水素の21cm線放射を直接撮像可能となる。
• 三段階の調査戦略（浅い、中程度深さ、深い）は、50％の観測効率と最適なスケジューリングを仮定した場合、約5年間で完了可能であり、7,500時間の地上観測時間内に収まる。
• SKA2は、高赤方偏移（z > 27）へのトモグラフィックマッピングを拡張し、信号対雑音比を向上させることで、赤方偏移空間歪みや高次統計の研究を可能にする。
• SKAは、JWSTや他の施設では到達できない範囲で、暗黒時代および宇宙の暁の物理学、特にスピン温度の進化、X線加熱、ミニハロー形成を独自に探査可能となる。
• SKAは、赤方偏移の高いミニハローからの21cm吸収線を直接検出可能となり、IR望遠鏡（例：JWST）では観測できない源を探査可能となる。
• SKA1/2と他の施設（JWST（SKAで選別された領域のフォローアップ）、ALMA、Euclid、CO/CII強度マッピングアレイ）との相乗効果が強く期待される。