[논문 리뷰] Japanese Cosmic Dawn/Epoch of Reionization Science with the Square Kilometre Array

Kenji Hasegawa, Shinsuke Asaba외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 07.

History and Developments in Astronomy참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 우주의 어둠의 빛나는 시기와 재결합 시기(이하 EoR)를 탐구하기 위한 스쿼어 킬로미터 어레이(SKA)에 대한 일본의 과학 기여를 제시한다. 주로 초음속 비열대-어둠의 물질 유동 운동에 의한 어둠의 물질 헬름 형성 억제를 모델링한다. N-체 시뮬레이션과 수정된 프레스-셰처터 형식을 사용하여 상대 속도가 헬름 붕괴를 얼마나 지연시키는지 정량화한다. 이로 인해 M ~ 10⁵ M⊙/h에서 최대 80%까지 최소 헬름 밀도가 감소하며, 이는 21cm 신호 예측과 재결합 역사 모델링에 중대한 영향을 미친다.

ABSTRACT

Cosmic reionization is known to be a major phase transition of the gas in the Universe. Since astronomical objects formed in the early Universe, such as the first stars, galaxies and black holes, are expected to have caused cosmic reionization, the formation history and properties of such objects are closely related to the reionization process. In spite of the importance of exploring reionization, our understandings regarding reionization is not sufficient yet. Square Kilometre Array (SKA) is a next-generation large telescope that will be operated in the next decade. Although several programs of next-generation telescopes are currently scheduled, the SKA will be the unique telescope with a potential to directly observe neutral hydrogen up to z~30, and provide us with valuable information on the Cosmic Dawn (CD) and the Epoch of Reionization (EoR). The early science with the SKA will start in a few years; it is thus the time for us to elaborate a strategy for CD/EoR Science with the SKA. The purpose of this document is to introduce Japanese scientific interests in the SKA project and to report results of our investigation.

연구 동기 및 목표

• 초음속 비열대-어둠의 물질 유동 운동이 어둠의 물질 헬름 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이러한 유동 운동이 저질량 헬름, 특히 이온화 광자를 주요 공급원으로 하는 최소 헬름의 밀도에 미치는 정량적 영향을 정량화하기 위해.
• 상대 속도 효과로 인한 헬름 붕괴 지연을 반영한 수정된 프레스-셰처터 형식을 개발하여 정확한 21cm 신호 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 헬름 억제가 SKA에서 관측 가능한 21cm 숲 및 파wer 스펙트럼 신호에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• EoR 관측에 관련된 초기 구조 형성의 물리적 모델링을 제공하여 국제적인 SKA 과학 기여를 지원하기 위해.

제안 방법

• 비열대와 어둠의 물질 간에 일관된 상대 속도(vbc = 30 km/s)를 도입한 고립된 어둠의 물질 헬름 붕괴에 대한 N-체 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 반경형 붕괴 모델을 사용하여 어둠의 물질 질량(Mc,i)과 비열대 질량(Mb) 및 밀도 대비를 포함한 헬름의 운동 방정식 유도하기 위해.
• 상대 속도 효과로 인한 붕괴 지연를 반영하기 위해 임계 밀도 임계치 ˜δcrit을 조정한 수정된 프레스-셰처터 형식 도입하기 위해.
• 재결합 시 상대 속도의 확률 분포 f(vbc)를 포함한 질량 함수 ˜n(M,z) 유도하여 통계적 헬름 밀도 예측 가능하게 하기 위해.
• 유동 효과 유무에 따라 시뮬레이션된 헬름 질량 함수를 비교하여 적응적 적색편이 범위(z = 10에서 z = 30)에서 억제 정도 정량화하기 위해.
• 최종적으로 헬름 밀도 비율이 질량과 적색편이에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여 재결합 및 21cm 신호에 미치는 영향 파악하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비열대와 어둠의 물질 간 초음속 상대 운동이 저질량 어둠의 물질 헬름 형성에 어떻게 억제 작용하는가?
• RQ2 고적색편이(z ≈ 30)에서 비열대-어둠의 물질 유동 운동이 최소 헬름(M ~ 10⁵ M⊙/h)의 밀도에 어떤 정량적 영향을 미치는가?
• RQ3 유동 운동에 의한 헬름 붕괴 지연는 헬름 질량, 적색편이 및 상대 속도 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 헬름 형성 억제가 재결합 시기 동안 예측 가능한 21cm 숲 및 파워 스펙트럼 신호에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 수정된 프레스-셰처터 형식이 EoR 시뮬레이션을 위한 헬름 질량 함수에 대해 유동 운동 효과를 정확하게 반영할 수 있는가?

주요 결과

• 비열대와 어둠의 물질 간의 초음속 유동 운동은 어둠의 물질 헬름 붕괴를 지연시키며, 이 효과는 더 작은 질량 척도에서 더 두드러진다.
• 질량 M ≤ 10⁸ M⊙/h의 어둠의 물질 헬름 밀도는 유동 운동으로 인해 억제되며, 특히 M ~ 10⁵ M⊙/h에서 가장 강한 억제 효과를 보인다.
• z = 30에서 M ~ 10⁵ M⊙/h 척도의 헬름 밀도는 유동 운동으로 인해 80% 감소하며, z = 10에서는 약 50%의 억제가 발생한다.
• 붕괴 지연는 헬름 내 비열대 질량 감소와 관련이 있으며, 이 정도의 지연는 유동 없이 형성된 헬름의 형성 적색편이에 따라 달라진다.
• 수정된 프레스-셰처터 형식은 임계 밀도 임계치 ˜δcrit을 조정하여 상대 속도 효과를 반영함으로써 억제 효과를 성공적으로 모사한다.
• 정확한 유동 운동 모델링은 21cm 신호 예측의 신뢰성 확보에 필수적이며, 헬름 억제로 인해 이온화 광자 예산과 재결합 역사에 중대한 영향을 미치기 때문이다.