[論文レビュー] The First Stars and Galaxies - Basic Principles

Volker Bromm|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙における最初の星や銀河の形成を規定する基本的物理的原則を概説し、原始的ガスの冷却、重力不安定性、フィードバック機構に焦点を当てる。人口III星——質量が大きく、寿命が短い——はz ~ 20–30でミニハロ内で形成されると予測され、その放射と超新星フィードバックが銀河間媒体に影響を与える。また、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が、z ~ 10におけるわずかな近赤外放射（~1 nJy）を検出可能であると推定される。

ABSTRACT

Understanding the formation of the first stars and galaxies is a key problem in modern cosmology. In these lecture notes, we will derive some of the basic physical principles underlying this emerging field. We will consider the basic cosmological context, the cooling and chemistry in primordial gas, the physics of gravitational instability, and the main properties of the first stars. We will conclude with a discussion of the observational signature of the first sources of light, to be probed with future telescopes, such as the James Webb Space Telescope.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における最初の星や銀河の形成を理解するための基礎的物理的原則を確立すること。
• ダークマターのミニハロ内で原始的ガスが受ける冷却と重力不安定性の役割を分析すること。
• 質量の大きな人口III星が銀河間媒体に与える放射、力学的、化学的フィードバックプロセスを検討すること。
• 最初の銀河の観測的特徴——特に放射度と角度サイズ——を推定し、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による検出可能性を評価すること。
• フィードバックおよび金属豊度上昇プロセスを踏まえて、'最初の銀河'の理論的・観測的定義を明確にすること。

提案手法

• 宇宙の膨張歴史をモデル化するため、宇宙論的原則とフレリッドマン方程式を用い、H(z)をΩmおよびΩΛパラメータから導出する。
• 光度距離の式dL(z) = (1+z)r(z)を適用し、r(z)はハッブルパラメータを用いて赤方偏移0からzまで積分した共動距離である。
• 角度直径距離dA(z) = r(z)/(1+z)を導出し、dLとdAの幾何的関係を示す。
• 観測放射度fν,obsの推定に、fν,obs ≈ (1+z)Lν,em/(4πdL²)の関係を用い、エディントン限界放射度と効果的温度~10⁵ Kを仮定する。
• 観測放射度の推定値を用い、星の質量が~10⁵ M☉で、トップヘビーな初期質量関数を仮定した場合にJWSTのNIRCamによる検出可能性を予測する。
• 赤方偏移された21 cm信号と高赤方偏移ガンマ線バーストを、宇宙の夜明けを探索する補足的プローブとして検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ~ 20–30の原始的ミニハロで最初の星が形成された物理的条件は何か？
• RQ2 質量の大きな人口III星からの放射、力学的、化学的フィードバックが周囲の銀河間媒体に与える影響は何か？
• RQ3 z ~ 10における最初の銀河の期待される放射度と角度サイズは何か？また、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で解像可能か？
• RQ4 理論的モデルが金属が存在しない銀河が生存できないと示す理由は何か？そしてこれは'最初の銀河'の定義にどのように影響を与えるか？
• RQ5 21 cm放射やガンマ線バーストといった観測窓口は、高赤方偏移天体の直接検出をどのように補完できるか？

主な発見

• 最初の星、すなわち人口III星は、z ~ 20–30で質量~10⁶ M☉のミニハロ内で形成されると予測され、典型的な質量は10–100 M☉である。
• これらの星は極めて質量が大きく、寿命が数百万年程度と短く、超新星や直接ブラックホール形成による迅速なフィードバックを引き起こすと予想される。
• 電離光子およびライマン＝ヴェルナー放射による放射フィードバックに加え、超新星による力学的および化学的フィードバックは、ガスを加熱・排出し、同じハロ内でのさらなる星形成を防ぐ。
• z ~ 10における最初の銀河の観測スペシフィック放射度は~1 nJyと推定され、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のNIRCam機器の検出範囲内にある。
• z ~ 10で固有サイズ~1 kpcの最初の銀河の角度サイズは~0.2弧秒であり、JWSTによる限界的解像が可能である。
• z ~ 10の源における光度距離は約100 Gpcであり、次世代望遠鏡による宇宙の夜明けの探査に期待される感度と整合的である。