[論文レビュー] The Emergence of the Modern Universe: Tracing the Cosmic Web

J. M. Shull, Blair D. Savage+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 1999

History and Developments in Astronomy参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 3 から z = 0 の間、現代の宇宙の出現を研究する次世代の 4 メートル級紫外線/可視光宇宙望遠鏡（ST-2010）を提案する。主な焦点は、高スループットな紫外線分光法と広視野の可視光画像化であり、銀河やクェーサーの形成、宇宙の化学的進化、およびダークマターに関する重要な問いを解明するために、宇宙の網を形成する銀河間媒体の観測により、宇宙の網の形成を追跡する。

ABSTRACT

This is the report of the Ultraviolet-Optical Working Group (UVOWG) commissioned by NASA to study the scientific rationale for new missions in ultraviolet/optical space astronomy approximately ten years from now, when the Hubble Space Telescope (HST) is de-orbited. The UVOWG focused on a scientific theme, The Emergence of the Modern Universe, the period from redshifts z = 3 to 0, occupying over 80% of cosmic time and beginning after the first galaxies, quasars, and stars emerged into their present form. We considered high-throughput UV spectroscopy (10-50x throughput of HST/COS) and wide-field optical imaging (at least 10 arcmin square). The exciting science to be addressed in the post-HST era includes studies of dark matter and baryons, the origin and evolution of the elements, and the major construction phase of galaxies and quasars. Key unanswered questions include: Where is the rest of the unseen universe? What is the interplay of the dark and luminous universe? How did the IGM collapse to form the galaxies and clusters? When were galaxies, clusters, and stellar populations assembled into their current form? What is the history of star formation and chemical evolution? Are massive black holes a natural part of most galaxies? A large-aperture UV/O telescope in space (ST-2010) will provide a major facility in the 21st century for solving these scientific problems. The UVOWG recommends that the first mission be a 4m aperture, SIRTF-class mission that focuses on UV spectroscopy and wide-field imaging. In the coming decade, NASA should investigate the feasibility of an 8m telescope, by 2010, with deployable optics similar to NGST. No high-throughput UV/Optical mission will be possible without significant NASA investments in technology, including UV detectors, gratings, mirrors, and imagers.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡の脱軌後を踏まえた次世代紫外線/可視光宇宙望遠鏡の科学的根拠を特定すること。
• 赤方偏移 z = 3 から z = 0 の期間における銀河、クェーサー、大規模構造の形成に関する根本的な問いに応えること。
• 宇宙の網および銀河間媒体（IGM）におけるバリオン物質およびダークマターの分布と進化を調査すること。
• 2010年代の技術開発とミッション構成を推奨することで、将来的なナサのミッション計画を支援すること。
• 高スループットな紫外線分光法と広視野画像化を実現可能な大口径宇宙望遠鏡のロードマップを策定すること。

提案手法

• ナサが委員会を設けた専門作業部会（UVOWG）を通じて、将来の紫外線/可視光宇宙望遠鏡のニーズを包括的に科学的評価する。
• HST/COS よりも 10～50 倍高いスループットを実現する 4 メートル口径の宇宙望遠鏡（ST-2010）を提案し、可視光画像化では 10 平方弧度以上をカバーする。
• ミッションの実現可能性を高めるために、紫外線検出器、回折格子、展開式ミラー、高度なイメージャーシステムの技術的投資を強調する。
• 高赤方偏移における宇宙の網および銀河間媒体のシミュレーテッド観測を用いて、ミッションの科学的潜在能力をモデル化する。
• 2010 年までに、次世代宇宙望遠鏡（NGST）に類似した設計を採用した 8 メートル口径の望遠鏡のミッション構成と技術成熟度を評価する。
• 複数の研究機関に所属する主要な宇宙物理学研究者からのフィードバックを統合し、科学的目標と技術的要件を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙における欠落しているバリオン物質はどこにあり、宇宙の網にどのように分布しているか？
• RQ2 銀河や大規模構造の形成過程において、ダークマターとバリオン物質の相互作用はどのようなものか？
• RQ3 銀河間媒体が最初の銀河や銀河団を形成するために崩壊したのはいつで、どのようにしてか？
• RQ4 赤方偏移 z = 3 から z = 0 の間、星形成の歴史と化学的進化の詳細はどのようなものか？
• RQ5 中心に巨大ブラックホールが存在することは銀河の中心部の一般的な特徴であり、それらはどのように宿主銀河と共進化するのか？

主な発見

• UVOWG は、宇宙の網および銀河間媒体を調査する上で、高スループットな紫外線分光法と広視野の可視光画像化が不可欠な能力であると特定した。
• ハッブル宇宙望遠鏡に続く最初の主要ミッションとして、4 メートル口径の宇宙望遠鏡（ST-2010）が推奨され、HST/COS よりも 10～50 倍高いスループットを実現する。
• このミッションにより、宇宙の時間的経過に伴う銀河間媒体の熱的状態、イオン化状態、化学的状態の詳細な研究が可能になる。
• 将来の大口径ミッションを実現可能にするために、紫外線検出器、回折格子、ミラー、イメージャー技術への早期投資を提言する。
• 展開式光学系を備えた 8 メートル口径の望遠鏡は 2010 年までに実現可能であり、宇宙論的・天体物理学的科学の大幅な前進をもたらす。
• 提案されたミッションは、銀河の形成、ダークマターの分布、宇宙元素の起源に関する長年の未解決問題を解消する。