[論文レビュー] The Epoch of Reionization

Saleem Zaroubi|Jun 1, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、中性水素の赤方偏移21 cm放射を主観測プローブとして用い、再電離時代（EoR）をレビューする。今後、LOFAR、MWA、SKAなどの電波望遠鏡が、赤方偏移z ≈ 6–15の範囲で再電離の全貌と空間的フラクチュエーションをマッピングする予定であり、初期宇宙における最初の銀河、電離源、構造形成に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

The Universe's dark ages end with the formation of the first generation of galaxies. These objects start emitting ultraviolet radiation that carves out ionized regions around them. After a sufficient number of ionizing sources have formed, the ionized fraction of the gas in the Universe rapidly increases until hydrogen becomes fully ionized. This period, during which the cosmic gas went from neutral to ionized, is known as the Universe's Epoch of Reionization . The Epoch of Reionization is related to many fundamental questions in cosmology, such as properties of the first galaxies, physics of (mini-)quasars, formation of very metal-poor stars and a slew of other important research topics in astrophysics. Hence uncovering it will have far reaching implications on the study of structure formation in the early Universe. This chapter reviews the current observational evidence for the occurrence of this epoch, its key theoretical aspects and main characteristics, and finally the various observational probes that promise to uncover it. A special emphasis is put on the redshifted 21 cm probe, the various experiments that are currently being either built or designed, and what we can learn from them about the Epoch of Reionization.

研究の動機と目的

• 宇宙進化の重要な段階である再電離時代（EoR）に関する、現在の観測的・理論的理解を統合すること。
• EoR期における微弱な赤方偏移21 cm信号を検出する際の主な観測的課題を特定すること。
• 低周波電波望遠鏡が再電離の全貌と空間パワー スペクトルをマッピングする可能性を評価すること。
• 現在の機器の限界を評価し、スケール・キロメーター・アレイ（SKA）のような将来的な施設の変革的潜在能力を検討すること。

提案手法

• EoR期におけるイオン化領域および中性水素領域の空間的・時間的進化をモデル化するために、宇宙論的シミュレーションを用いる。
• スピン温度および光学的厚さに比例する、赤方偏移21 cmの輝度温度を、中性水素密度のフラクチュエーションの代理として分析する。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）のThomson光学的厚さおよびクェーサースペクトルにおけるリプマンアルファフォレストからの観測的制約をレビューする。
• LOFAR、MWA、PAPER、GMRT、SKAを含む、現在および計画中の電波望遠鏡の感度および周波数カバー範囲を評価する。
• 銀河系および銀河外電波放射によるフォアグラウンド汚染の課題に取り組み、高度なキャリブレーションおよびフォアグラウンド除去技術が不可欠であることを強調する。
• 21 cm信号の統計的パワー スペクトル測定が、イオン化バブルの成長および再電離のトポロジーを明らかにすると提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離時代の赤方偏移範囲と期間は何か？ そして、現在のデータからどのように制約されているか？
• RQ2 再電離期に電離放射を支配していた天体的源（例：第3星族星、ミニクェーサー、X線連星）はどのようなものか？
• RQ3 イオン化フロントは、銀河間媒体をどのように伝播したのか？ また、最初に高密度領域か低密度領域を優先的に電離したのか？
• RQ4 赤方偏移21 cm信号は、再電離の全貌のタイムラインと空間的構造をどの程度解像できるか？
• RQ5 今後の電波望遠鏡は、フォアグラウンド汚染と機器ノイズをどのように克服し、微弱な宇宙論的21 cm信号を検出するのか？

主な発見

• CMBの光学的厚さおよびリプマンアルファフォレストからの制約に基づき、再電離時代は赤方偏移z ≈ 6からz ≈ 15の間におよそ発生したとされる。
• WMAPからのCMBデータは、宇宙がThomson散乱に対してわずかに9%の光学的厚さであったことを示しており、これは遅くかつ比較的急速な再電離過程であると示唆する。
• リプマンアルファフォレストは、z ≈ 6.5で中性水素分率が急激に上昇しており、再電離の終焉を示している。大部分の電離はz ≈ 6–9の間で発生したとされる。
• LOFAR、MWA、GMRTなどの現在の機器は、z ≈ 11までの全貌21 cm信号およびパワー スペクトルの検出が期待されており、CMBと低赤方偏移観測の間のギャップを埋める。
• スケール・キロメーター・アレイ（SKA）は感度、周波数カバー範囲、空間分解能を大幅に向上させ、イオン化トポロジーおよび源の性質の詳細なマッピングを可能にする。
• 進展は見られても、現在の制約は依然として間接的かつモデル依存的であり、最初の源や再電離ダイナミクスに関する未解決の問いを解明するには、直接的な21 cm測定が不可欠であると強調される。