[論文レビュー] The formation and cosmic evolution of dust in the early Universe. I. Dust sources

Raffaella Schneider, R. Maiolino|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙におけるダスト形成の理論的モデルをレビューし、主に超新星と漸近巨星分支星（AGB星）をダストの主な供給源として焦点を当てる。標準的またはトップヘヴィーな初期質量関数の下では、AGB星によるダスト生成が数億年以内に超新星を上回る可能性があることが判明した。一方、銀河間媒体（ISM）におけるダスト再処理——衝撃波による破壊と寒冷ガス中での成長——は、高赤方偏移銀河におけるダスト予算と組成を規定する上で極めて重要な役割を果たす。

ABSTRACT

Dust-obscured star formation has dominated the cosmic history of star formation since z = 4. However, the recent finding of significant amount of dust in galaxies out to z = 8 has opened the new frontier of investigating the origin of dust also in the earliest phases of galaxy formation, within the first 1.5 billion years from the Big Bang. This is a key and rapid transition phase for the evolution of dust, as galaxy evolutionary timescales become comparable with the formation timescales of dust. Our aim is to provide an overview of the several findings on dust formation and evolution at z > 4, and of the theoretical efforts to explain the observational results. We have organized the review in two parts. In the first part, presented here, we focus on dust sources, primarily supernovae and asymptotic giant branch stars, and the subsequent reprocessing of dust in the interstellar medium, through grain destruction and growth. We also discuss other dust production mechanisms, such as Red Super Giants, Wolf--Rayet stars, Classical Novae, Type Ia Supernovae, and dust formation in quasar winds. The focus of this first part is on theoretical models of dust production sources, although we also discuss the comparison with observations in the nearby Universe, which are key to put constraints on individual sources and processes. While the description has a general applicability at any redshift, we emphasize the relative role of different sources in the dust build-up in the early Universe. In the second part, which will be published later on, we will focus on the recent observational results at z > 4, discussing the theoretical models that have been proposed to interpret those results, as well as the profound implications for galaxy formation.

研究の動機と目的

• ビッグバン後最初の15億年以内に、超新星とAGB星が初期宇宙で果たすダスト生成への相対的寄与を評価すること。
• 赤超巨星、Wolf–Rayet星、古典的新星、クェーサー風といった代替ダスト供給源が初期ダスト豊富化に果たす役割を評価すること。
• 特に衝撃波によるダスト破壊と粒子成長を含む、銀河間媒体（ISM）プロセスが高赤方偏移銀河におけるダストの生存と進化に与える影響を検討すること。
• 最近のALMAおよびJWSTによる高赤方偏移観測結果を解釈する理論的基盤を提供すること、特にz > 4で観測された顕著なダスト質量の存在に焦点を当てる。
• ダスト換算率と組成が、初期質量関数（IMF）、金属量、衝撃条件といった主要な天体物理学的パラメータにどのように依存するかを検討すること。

提案手法

• 温度と密度の異なる条件下での粒子形成効率を評価するため、古典的・運動的・分子的核化理論を用いて超新星噴出物内のダスト核化をモデル化する。
• 粒子の力学的挙動、磁場効果、およびスパッタリングや破砕といった物理的プロセスを組み込んだ、超新星残骸におけるダスト処理をシミュレートする。
• 冷却で密度の高い風中にダスト凝縮が起こる理論的モデルを用い、局所的観測に校正されたAGB星のダスト換算率を評価する。
• 衝撃速度と粒子サイズ分布を主要パラメータとして用い、ISM内の衝撃波がダスト粒子に与える破壊効果を評価する。
• 物理的および経験的制約を用いて、寒冷中性媒体におけるガス相金属の付着による粒子成長時間スケールを計算する。
• IMF、金属量、ISM条件の異なる仮定の下で、超新星、AGB星、クェーサーからの理論的ダスト生成率を比較し、高赤方偏移における支配的要因を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z > 4の銀河において、超新星とAGB星のどちらがダスト生成により寄与しているか？
• RQ2 初期質量関数（IMF）と金属量の変動が、AGB星と超新星によるダスト生成のタイミングと支配的状態にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特に寒冷中性ガス中でのダスト成長が、高赤方偏移銀河で観測されたダスト質量の多くを説明できる程度はどの程度か？
• RQ4 Wolf–Rayet星、古典的新星、クェーサー風といった代替供給源は、初期ダスト豊富化にどの程度寄与できるか？
• RQ5 衝撃波誘発による破壊や磁場効果といったISMプロセスが、初期銀河におけるダスト粒子サイズ分布と生存に果たす役割は何か？

主な発見

• AGB星によるダスト生成は、星形成後3500万年以内に開始され、標準的またはトップヘヴィーなIMFの下では数億年以内に超新星由来ダストを上回る可能性がある。
• 最適な条件下では、超新星噴出物は1年あたり数太陽質量のダストを生成できるが、特に低金属量環境では逆方向衝撃波による破壊が生存を制限する。
• 寒冷中性ISM内での粒子成長は数百万年という短い時間スケールで起こり得るため、進化した銀河におけるダスト質量の大部分が直接的な星間生成ではなく、現地での成長に起因する可能性が示唆される。
• ISM内の衝撃波によるダスト破壊は、衝撃速度と初期粒子サイズに強く依存し、高速衝撃波は大型粒子を効率的に破壊できる。
• 強力なシステムではクェーサー風が1年あたり数太陽質量のダストを供給できるが、核領域のISMに事前に金属が豊富でなければならないため、非常に初期の宇宙ではその役割は限定的である。
• z > 4におけるダスト供給源の相対的重要性は金属量とIMFに強く依存しており、トップヘヴィーなIMFではAGB支配が10億年を過ぎてからに遅れる一方、低金属量環境では迅速な超新星由来ダスト生成が優位になる。