[論文レビュー] The reheating and reionization history of the universe

Patrick Valageas, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、クェーサーを組み込んだ解析的モデルを提示し、宇宙の再加熱および再電離歴史を統一的に記述する。2つの宇宙論的モデル（臨界密度およびオープンなCDM）を用いて、再電離はz_ri ≈ 6.8（オープン）またはz_ri ≈ 5.6（臨界）で発生すると判明した。UV背景はz = 2.6でJ₂₁ = 0.18のピークに達し、観測と一致させるには微弱なクェーサーが必要である。また、z = 10では金属量が0.01 Z⊙を超える。

ABSTRACT

We incorporate quasars into an analytic model to describe the reheating and reionization of the universe. In combination with a previous study of galaxies and Lyman-$α$ clouds, we are able to provide a unified description of structure formation, verified against a large variety of observations. We also take into account the clumping of the baryonic gas in addition to the presence of collapsed objects. We consider two cosmologies: a critical universe with a CDM power-spectrum and an open universe with $Ω_0=0.3$, $Λ=0$. The derived quasar luminosity function agrees reasonably well with observations at $z<4.5$ and with constraints over larger redshifts from the HDF. The radiation produced by these objects at $z \sim 16$ slowly reheats the universe which gets suddenly reionized at $z_{ri}=6.8$ for the open universe ($z_{ri}=5.6$ for the critical density universe). The UV background radiation simultaneously increases sharply to reach a maximum of $J_{21} = 0.18$ at $z=2.6$, but shows strong ionization edges until $z \leq 1$. The metallicity of the gas increases quickly at high $z$ and is already larger than $0.01 Z_{\odot}$ at $z=10$. The QSO number counts and the helium opacity constrain the reionization redshift to be $z_{ri} \sim 6$. We confirm that a population of faint quasars is needed in order to satisfy the observations. Due to the low reionization redshift, the damping of CMB fluctuations is quite small, but future observations (e.g. with the NGST) of the multiplicity functions of radiation sources and of the HI and HeII opacities will strongly constrain scenarios in which reionization is due to QSOs.

研究の動機と目的

• 構造形成、再加熱、再電離を宇宙時間全体にわたって統一的な解析的モデルとして開発すること。
• リーマンアルファ雲、銀河、クェーサーの観測と整合性のある再電離歴史を調和させること。
• 再電離およびUV背景の進化を説明するために必要なクェーサーの明るさ関数と数密度を特定すること。
• ガスの塊状構造および崩壊した構造が再電離プロセスに与える影響を評価すること。
• QSOの数密度およびヘリウムの透過率データを用いて再電離赤方偏移を制約すること。

提案手法

• クェーサーを宇宙の再電離に関する解析的枠組みに組み込み、銀河およびリーマンアルファ雲の先行モデルを拡張する。
• 臨界密度CDM宇宙とΩ₀ = 0.3、Λ = 0のオープン宇宙の2つの宇宙論的モデルを用いる。
• z ≈ 16からz ≈ 2.6までの間、クェーサーからの電離放射の場とその進化をモデル化する。
• 再電離期における銀河間媒体内でのガスの塊状構造および崩壊した物体の存在を考慮する。
• UV背景（J₂₁）および電離度数の進化を解き、観測的制約と比較する。
• クェーサー明るさ関数を用いて数密度を予測し、ハッブル・ディープ・フィールドのデータと整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV背景放射の赤方偏移依存性は何か？再電離期にピークを示すのはいつか？
• RQ2 再電離はどの赤方偏移で発生するのか？また、Ω₀などの宇宙論的パラメータにどのように依存するか？
• RQ3 クェーサーの数密度および明るさ関数は再電離歴史にどのように制約を加えるか？
• RQ4 ガスの塊状構造は再電離のタイミングと効率にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 z = 10時点で銀河間媒体の金属量はどの程度に達するか？また、初期のクェーサー活動とどのように関係するか？

主な発見

• オープン宇宙（Ω₀ = 0.3、Λ = 0）では再電離がz_ri = 6.8で発生し、臨界密度宇宙ではz_ri = 5.6で発生する。
• UV背景はz = 2.6でJ₂₁ = 0.18のピークに達し、z ≤ 1まで強い電離エッジが持続する。
• 得られたクェーサー明るさ関数はz < 4.5で観測と一致し、高赤方偏移ではハッブル・ディープ・フィールドの制約とも整合する。
• 再電離およびヘリウム透過率の観測制約を満たすには、微弱なクェーサーの存在が必要である。
• z = 10時点で銀河間媒体の金属量は0.01 Z⊙を超える。これはクェーサーによる早期の金属豊度上昇を示唆する。
• 将来のHIおよびHeII透過率、および源の多重関数の観測は、QSO駆動の再電離シナリオを強く検証する。