[论文解读] A New Era in Extragalactic Background Light Measurements: The Cosmic History of Accretion, Nucleosynthesis and Reionization

Asantha Cooray, Alexandre Amblard+53 more|ArXiv.org|Feb 13, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本文提出从5 AU向外测量银河系外背景光（EBL），以克服在1 AU处占主导地位的黄道尘Foreground，从而实现对再电离时期辐射的精确探测。通过利用木星轨道外的深空广域成像，该方法将黄道光水平降低至1%以下，使从光学到远红外波段的精确EBL光谱测量成为可能，从而约束宇宙恒星形成、核合成及再电离历史。

ABSTRACT

(Brief Summary) What is the total radiative content of the Universe since the epoch of recombination? The extragalactic background light (EBL) spectrum captures the redshifted energy released from the first stellar objects, protogalaxies, and galaxies throughout cosmic history. Yet, we have not determined the brightness of the extragalactic sky from UV/optical to far-infrared wavelengths with sufficient accuracy to establish the radiative content of the Universe to better than an order of magnitude. Among many science topics, an accurate measurement of the EBL spectrum from optical to far-IR wavelengths, will address: What is the total energy released by stellar nucleosynthesis over cosmic history? Was significant energy released by non-stellar processes? Is there a diffuse component to the EBL anywhere from optical to sub-millimeter? When did first stars appear and how luminous was the reionization epoch? Absolute optical to mid-IR EBL spectrum to an astrophysically interesting accuracy can be established by wide field imagingat a distance of 5 AU or above the ecliptic plane where the zodiacal foreground is reduced by more than two orders of magnitude.

研究动机与目标

• 克服在1 AU处占主导地位的黄道尘Foreground，该Foreground限制了从光学到中红外波段的银河系外背景光（EBL）精确测量。
• 通过移除黄道云至≥5 AU的距离，实现从光学到远红外波段的高精度EBL光谱测量。
• 通过精确的EBL测量，约束吸积、核合成及再电离的宇宙历史。
• 通过原位测量，同时提升对行星际尘埃分布及黄道云结构的理解。
• 通过测量EBL光谱，直接校准高能天体物理源（例如TeV耀变体）

提出的方法

• 在5 AU或更远距离进行绝对测光，此时黄道光相比1 AU降低两个数量级以上。
• 利用广域成像测量从光学到远红外波段的EBL光谱，最大限度减少太阳光散射和黄道辐射的污染。
• 利用先验的先驱者10号原位数据建模尘埃密度分布，特别是r⁻³/²的径向依赖关系，以预测Foreground水平。
• 将EBL测量与黄道尘速度分布和轨道元素分布的同步观测相结合，以优化尘埃模型。
• 利用夫琅和费谱线作为光谱特征，监测并校正绝对测光中的散射光。
• 将EBL数据与解析星系计数及间接技术（如耀变体光谱）相结合，交叉验证EBL强度并探测未解析的弥散成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无黄道Foreground污染的情况下，从光学到远红外波段的银河系外背景光的真实光谱能量分布是什么？
• RQ2 在5–50 μm波段的EBL在多大程度上源自再电离时期源，特别是红移的莱曼-𝛼发射？
• RQ3 如何以足够高的精度测量EBL光谱，以约束恒星核合成在整个宇宙时间释放的总能量？
• RQ4 EBL中有多少比例来自未解析的弥散发射？它是否可能包含原初黑洞或衰变粒子等奇异源？
• RQ5 木星轨道外的行星际尘埃粒子的径向和方位分布如何影响EBL测量？它们揭示了尘埃起源的哪些信息？

主要发现

• 在5 AU处，黄道光相比1 AU降低两个多数量级，使EBL测量的Foreground污染低于1%。
• 在5 AU测量的EBL光谱可分辨出约1 μm处的再电离时期特征，该特征在1 AU处被黄道光遮蔽。
• 通过5 AU广域成像测量的EBL强度可与解析星系的积分光度交叉验证，揭示可能指示新弥散源的差异。
• 基于先驱者10号原位测量，木星距离（5 AU）处的黄道尘密度估计比1 AU低两个数量级。
• 同步测量黄道尘速度分布和轨道元素分布可改进对尘埃迁移与起源的模型，尤其对哈雷彗星及海王星外天体粒子而言。
• 该方法可实现高能天体物理中EBL光谱的直接校准，例如通过去除EBL吸收，推导耀变体的本征TeV光谱。