[論文レビュー] Revealing the formation histories of the first stars with the cosmic near-infrared background

Guochao Sun, Jordan Mirocha+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 179被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、宇宙の近赤外背景（NIRB）が、特に1 μmより赤方偏移した強力なLy𝛼発光を示す高赤方偏移の第III族星の特徴的なスペクトルインプリントを通じて、それらの形成歴を露にする可能性を提唱している。高赤方偏移銀河データに校正された半経験的モデルを用いて、効率的な第III族星形成が、近い将来のミッション（例：SPHEREx）で検出可能なNIRBの揺らぎを生じうることを示しており、直接観測の困難さにもかかわらず、初期星形成を強力に探査できる手段を提供する。

ABSTRACT

The cosmic near-infrared background (NIRB) offers a powerful integral probe of radiative processes at different cosmic epochs, including the pre-reionization era when metal-free, Population III (Pop III) stars first formed. While the radiation from metal-enriched, Population II (Pop II) stars likely dominates the contribution to the observed NIRB from the reionization era, Pop III stars -- if formed efficiently -- might leave characteristic imprints on the NIRB thanks to their strong Ly$\alpha$ emission. Using a physically-motivated model of first star formation, we provide an analysis of the NIRB mean spectrum and anisotropy contributed by stellar populations at $z>5$. We find that in circumstances where massive Pop III stars persistently form in molecular cooling haloes at a rate of a few times $10^{-3}\,M_\odot \ \mathrm{yr}^{-1}$, before being suppressed towards the epoch of reionization (EoR) by the accumulated Lyman-Werner background, a unique spectral signature shows up redward of $1\,\mu$m in the observed NIRB spectrum sourced by galaxies at $z>5$. While the detailed shape and amplitude of the spectral signature depend on various factors including the star formation histories, IMF, LyC escape fraction and so forth, the most interesting scenarios with efficient Pop III star formation are within the reach of forthcoming facilities such as the Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx). As a result, new constraints on the abundance and formation history of Pop III stars at high redshifts will be available through precise measurements of the NIRB in the next few years.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（z > 5）の第II族および第III族星形成銀河が宇宙の近赤外背景（NIRB）に与える寄与をモデル化すること。
• 第III族星の形成歴（特に星形成率および初期質量関数）が、NIRBのスペクトル的および空間的性質に及ぼす検出可能なインプリントを調査すること。
• SPHEREx や CDIM のような将来的なミッションによるNIRB測定を用いて、第III族星形成を制約する可能性を評価すること。
• 前景と区別して第II族と第III族の信号を分離するための成分分離技術を検討すること。

提案手法

• 観測された高赤方偏移銀河の等価光度関数および星形成率密度に校正された、銀河進化および星形成の半経験的モデルを構築する。
• リーマン＝ワーナー背景を含む物理的フィードバック機構を組み込み、ミニハローや第III族星形成を制御する。
• 合成銀河集団を用いて、Ly𝛼発光、ダスト減光、およびリーマン連続体の漏れ率を考慮したNIRB平均スペクトルおよび空間パワー スペクトルを計算する。
• 完全な共分散空間パワー スペクトル解析を用いて、異なる空間的およびスペクトル的構造に基づきNIRB成分を分離する。
• 21-cmマップや光度測定銀河カタログといった3次元トレーサーとの連合解析を実施し、第II族および第III族寄与の分離を向上させる。
• SPHEREx や CDIM の感度予測を用いて、星形成歴および初期質量関数の変動を考慮した第III族信号の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙の近赤外背景（NIRB）は、スペクトル的および空間的インプリントを通じて、z > 5における第III族星の形成歴を露にすることができるか？
• RQ2 質量が大きく金属が存在しない第III族星における強力なLy𝛼発光から、NIRBに予想される特定のスペクトル特徴は何か？
• RQ3 リーマン＝ワーナーフィードバック、初期質量関数、およびLyC漏れ率の不確実性が、NIRBにおける第III族信号の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 SPHEREx や CDIM のような将来的なミッションが、NIRBにおける支配的である第II族および低赤方偏移の前景から第III族寄与をどの程度分離できるか？
• RQ5 21-cmおよび光度測定銀河調査との相互相関は、NIRBにおける高赤方偏移の第III族信号の分離をどの程度向上させ得るか？

主な発見

• 観測されたNIRBスペクトルにおいて、1 μmより赤方偏移した領域に、特に分子冷却ハロー内での効率的な形成が想定される場合、質量が大きな第III族星の強力なLy𝛼発光に起因する特徴的なスペクトルインプリントが現れる。
• 第III族星形成率が約10−3 M⊙ yr−1 Mpc−3に達する楽観的モデルでは、第III族寄与がNIRB揺らぎにおいて第II族信号の数パーセントから十数パーセントに達する可能性があり、検出可能であると予想される。
• NIRBスペクトルインプリントの形状および振幅は、第III族初期質量関数、LyC漏れ率、および第III族および第II族星からのフィードバックに強く依存する。
• 完全な共分散空間パワー スペクトル解析による成分分離により、外部データがなくてもS/N ≳5の精度で高赤方偏移NIRB寄与を分離可能であり、第III族形成歴の制約が可能となる。
• 近い将来のミッション、たとえばSPHERExやCDIMは、特に高質量で効率的な第III族星形成を示す極端なシナリオを除外または不適切とすることにより、第III族星形成を意味のある制約をもって行うことが期待される。
• NIRBと21-cmおよび光度測定銀河調査の連合解析により、第II族および第III族寄与の分離能力が向上し、前景汚染などの系制度を克服できるようになる。