[論文レビュー] Cosmic Dawn: Studies of the Earliest Galaxies and Their Role in Cosmic Reionization

Richard S. Ellis|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、宇宙再電離の役割を果たす最も初期の銀河（z > 6）を観測的に研究する進展と課題をレビューし、星形成銀河が再電離の主な要因である可能性が高いと強調している。現在のデータは赤方偏移とともにイオン化光子の脱出率が上昇している可能性を示唆しているが、ほこり、暗い銀河、イオン化光子の予算に関する主要な不確実性が残っており、将来的な施設（JWST や 21cm トモグラフィー）によってこれらの問題が解消されると期待されている。

ABSTRACT

I review recent progress and challenges in studies of the earliest galaxies, seen when the Universe was less than 1 billion years old. Can they be used as reliable tracers of the physics of cosmic reionization thereby complementing other, more direct, probes of the evolving neutrality of the intergalactic medium? Were star-forming galaxies the primary agent in the reionization process and what are the future prospects for identifying the earliest systems devoid of chemical enrichment? Ambitious future facilities are under construction for exploring galaxies and the intergalactic medium in the redshift range 6 to 20, corresponding to what we now consider the heart of the reionization era. I review what we can infer about this period from current observations and in the near-future with existing facilities, and conclude with a list of key issues where future work is required.

研究の動機と目的

• 初期の星形成銀河が宇宙再電離の物理的メカニズムと、銀河間媒体を再電離させる主要因として信頼できるトレーサーであるかどうかを評価すること。
• ほこり、脱出率、選択バイアスといった、高赤方偏移銀河データの解釈における主な観測的・理論的課題を特定し、それらに対処すること。
• 近い将来の施設（JWST、ELT、GMT、TMT、Euclid、WFIRST、LOFAR、SKA）が再電離時代に関する未解決の問題を解消する上で果たす重要な役割を概説すること。
• 観測された電子散乱光学厚さと推定されたイオン化光子の予算との間に生じる矛盾を定量化すること、特にイオン化放射の脱出率に関連して。

提案手法

• ハッブル、スパイクル、ALMA からの深紫外赤外画像および分光観測を用いて、UV連続スペクトルおよびLyα線発光を用いて高赤方偏移銀河を検出・特徴づける。
• Keck分光観測のスタッキング法を用い、f_esc ≈ 1 − f_cov の仮定の下で中性ガスの覆い範囲率を測定し、イオン化光子の脱出率を推定する。
• z > 5.5 のクェーサー吸収スペクトルにガン・ペターソンテストを適用し、再電離の時期と銀河間媒体中の中性分率を制約する。
• 長期間継続型ガンマ線バースト（GRB）の発生率を、高赤方偏移における星形成のプローブとして用い、観測されたGRB数を予想される星形成歴と比較することで、異常な点の有無を検証する。
• 初期銀河のクラスタリング統計と、LOFARおよびSKAからの21cm トモグラフィー観測データを組み合わせ、イオン化領域の進化と観測源との関係をマッピングする。
• z ≈ 7.58 でのALMAによるほこり放射の検出結果を分析し、最も初期の銀河におけるほこりの存在と遮蔽された星形成の有無を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙再電離の赤方偏移履歴は何か？ そして、銀河間媒体が中性状態からイオン化状態に移行した時期はいつか？
• RQ2 イオン化光子の脱出率に不確実性がある中で、初期の星形成銀河が再電離を完了させるために必要なイオン化放射をどれほど供給しているのか？
• RQ3 現在の望遠鏡の検出限界を超えた、暗く、ほこりを含み、金属量が少ない銀河の集団が、イオン化光子の予算の矛盾を解消する可能性を秘めているだろうか？
• RQ4 イオン化光子の脱出率は赤方偏移とともにどのように変化するのか？ そして、その変化を支配する物理的要因（幾何学的構造、運動学的性質、金属量など）は何か？
• RQ5 ほこりは初期銀河においてどのような役割を果たすのか？ また、その存在はz > 7 におけるUV色の測定や星形成率の解釈にどのように影響を与えるのか？

主な発見

• 宇宙背景放射からの電子散乱の光学厚さ（τ ≈ 0.088）は、再電離の赤方偏移が z ≈ 8.2 であることを示しており、クェーサーのガン・ペターソントローブからの制約と整合的である。
• ライマンブレイク銀河のスタックされたKeck分光観測では、赤方偏移が増加するにつれて中性ガスの覆い範囲率が減少しており、z ≈ 2 から z ≈ 4–5 の間でイオン化光子の脱出率が上昇している可能性が示唆されている。
• 赤方偏移とともに推定される脱出率 f_esc の上昇傾向は一時的なものとして観測されているが、測定の不確実性が高く、より高い赤方偏移への延長が求められている。
• z = 7.58 での星形成銀河の明確なALMA検出は、初期宇宙においてほこりが存在することを示しており、初期銀河はほこりが存在しないと仮定する考え方に疑問を呈している。
• z > 5 における長期間継続型ガンマ線バーストの観測頻度は、局所の星形成率に基づく予測を上回っており、低金属量環境におけるGRB生成効率の進化が示唆されている可能性がある。
• 進展は見られたが、依然としてイオン化光子の予算は20％の脱出率と整合的ではなく、f_esc が現在の測定値よりも高いか、あるいはAGNなどの追加的要因が再電離に顕著に寄与している可能性がある。