[論文レビュー] The Dark Side of Reionization: Probing Cooling in the Early Universe

P. N. Appleton, L. Armus+18 more|ArXiv.org|Mar 10, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移6 < z < 15の原始的分子雲における分子水素および金属の微細構造線を、宇宙および地上の遠赤外線分光法によって探査することを提案し、最初の星や銀河の形成を可能にした主要な冷却過程を明らかにすることを目的としている。スパイトル宇宙望遠鏡による予期せぬH2線放出の検出を踏まえ、次世代の望遠鏡が『再電離の暗黒側』、つまり宇宙再電離および構造形成に不可欠な冷却メカニズムを解き放つ可能性を示唆している。

ABSTRACT

Probing the growth of structure from the epoch of hydrogen recombination to the formation of the first stars and galaxies is one of the most important uncharted areas of observational cosmology. Far-IR spectroscopy covering $λ$ 100-500 microns from space, and narrow partial transmission atmospheric bands available from the ground, opens up the possibility of probing the molecular hydrogen and metal fine-structure lines from primordial clouds from which the first stars and galaxies formed at 6 &lt; z $

研究の動機と目的

• 原始的ガス雲における最初の星や銀河の形成に寄与した主要な冷却メカニズムを調査すること。
• 宇宙進化の重要なが未だ未踏の段階である再電離時代（6 < z < 15）における雲の冷却に関する観測的制約の欠如を解消すること。
• 遠赤外分光法がこれらの初期時代からの分子水素および金属の微細構造線にアクセスできることを示し、新たな観測的視野を提供すること。
• 現在の観測手法が、宇宙再電離および構造成長を理解する上で不可欠な主要な冷却プロセスを盲視していることの主張。
• 次世代の遠赤外線宇宙望遠鏡の導入を提言し、初期宇宙宇宙論におけるこの新たな観測のフロンティアを実現すること。

提案手法

• 100–500ミクロンの範囲における遠赤外分光法を活用し、高赤方偏移の原始的雲から分子水素（H2）の回転遷移および金属の微細構造線を検出する。
• 地上の狭い大気透過窓を活用し、特にサブミリ波長帯および長ミリ波長帯の遠赤外線ラインにアクセスする。
• スパイトル宇宙望遠鏡による衝撃から生じる予期せぬ強力なH2線放出の観測を基盤とし、初期の雲における冷却が、これまで考えられていたよりも検出可能である可能性を示唆する。
• H2および金属線（例：[C II]、[O III]）の期待される線輝度および赤方偏移周波数をz = 6–15でモデル化し、将来の機器による検出可能性を評価する。
• 次世代の宇宙ベースの遠赤外線望遠鏡が、高い感度および分光分解能を備えており、初期宇宙における冷却をマッピングするのに必要な能力を有することを評価する。
• 初期星形成および衝撃励起の理論モデルを用い、線の全放射度を予測し、冷却が雲の収縮に果たす役割を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 15における最初の星が形成される前、原始的ガス雲における主要な冷却メカニズムは何か？
• RQ2 遠赤外分光法は、これらの高赤方偏移雲からの分子水素および金属の微細構造線を検出可能か？
• RQ3 スパイトルが観測した衝撃励起H2線放出特徴は、初期宇宙における冷却線の検出可能性にどのように寄与するか？
• RQ4 現在の観測技術は、宇宙再電離を可能にした主要な冷却プロセスをどの程度盲視しているか？
• RQ5 再電離時代からの冷却線を検出し、特徴づけるためにどのような機器能力が求められるか？

主な発見

• 遠赤外分光法は、6 < z < 15の原始的雲からの分子水素および金属の微細構造線を直接探査できる手段を提供し、初期冷却プロセスを解明する重要な窓口である。
• スパイトルによる強力なH2線放出の観測は、低金属量・高赤方偏移環境でも冷却線が検出可能である可能性を示唆している。
• 100–500ミクロンの波長域には、H2の回転遷移および[C II] 158 μm線が含まれており、雲の収縮および星形成に不可欠な重要な冷却線である。
• 地上望遠鏡は、サブミリ波長帯および長ミリ波長帯の部分的な大気透過窓を利用でき、特定のラインの標的観測を可能にする。
• 次世代の宇宙ベースの遠赤外線望遠鏡は、初期宇宙における冷却をマッピングするために必要な感度および分光分解能を達成するために不可欠である。
• これらの冷却線を検出しない限り、最初の星形成および宇宙再電離を引き起こす物理的状態に関する理解は、根本的に不完全のままだろう。