「初代天体・再電離」班の報告	  -­‐-­‐-­‐2020年代の光赤外線天文学-­‐-­‐-­‐	メンバー	  井上昭雄、大内正己（班長）、小野宜昭、長峯健太郎、松田有一	

First	  Objects	  and	  Reioniza5on	  	Robertson	  et	  al.	  (2010)	

1)	  First	  Objects	  – Stars/galaxies→SN,	  GRB,	  AGN	  2)	  Reioniza5on	  – Neutral	  to	  ionized	  IGM	  Early	  cosmological	  events	  (z>6)	  	  • 1)	  and	  2)	  are	  5ghtly	  related.	  

– Ionizing	  photons	  (from	  low-­‐mass	  galaxies)	  to	  ionize	  the	  universe	  – UV	  BG	  radia5on	  in	  IG	  space	  to	  suppress	  low-­‐mass	  galaxy	  forma5on	Our	  Ac5vity:	  	  Iden5fying	  Key	  Open	  Ques5ons	• 1.	  First	  objects	  「初代天体と再電離」観測と理論の現状 (12ページ)	

– When	  did	  ﬁrst	  galaxies	  appear?	  What	  mass/luminosity	  &	  redshi[?	  
– What	  is	  the	  morphology	  and	  size	  of	  galaxies?	  
– Chemical/dynamical/stellar-­‐popula5on	  evolu5on	  of	  galaxies	  – When	  ac5ve	  objects,	  SMGs,	  LABs,	  and	  AGN	  formed?	  What	  the	  ﬁrst	  GRB	  and	  SN	  appears?	  

• 2.	  Cosmic	  reioniza5on	  – Neutral	  hydrogen	  frac5on,	  xHI,	  as	  a	  func5on	  of	  redshi[	  – What	  are	  sources	  of	  reioniza5on?	  (Are	  low-­‐mass	  galaxies	  true?)	  • To	  be	  followed	  by	  the	  discussion	  of	  feasibili5es	  with	  2020s’	  instruments	  a[er	  this	  GOPIRA	  mee5ng.	  FIRST	  OBJECTS	Luminosity	  Func5on	  (LF)	  Determina5ons	  	  -­‐-­‐-­‐When	  Did	  a	  Galaxy	  Appear?	  -­‐-­‐-­‐	
Model	

Observa8on	？	
z~9-­‐10	？	

？	

Ishigaki	  et	  al.	  (2014)	

••Jaacks	  et	  al.	  (2013)	

First	  object	  forma5on	  including	  stars/galaxies/clusters→	  Galaxy	  LF	  (or	  GSMF)	  Two	  major	  fron5ers	  i)	  Highest	  redshi[	  LF	  • When	  a	  galaxy	  with	  a	  given	  luminosity	  appears?	  

ii)	  Faintest	  magnitude	  LF	  • What	  is	  the	  faint-­‐end	  slope	  (α)	  and	  lowest-­‐mass	  galaxy?→	  feedback/cooling	  (SF	  mechanism)	  – Obs-­‐>	  α=-­‐2.	  It	  is	  predicted	  by	  cosmological	  hydro	  simula5ons	  (e.g.	  Nagamine+10;	  Finlator+11;	  Jaacks+12)	  	  – Metallicity-­‐dependent	  H2-­‐based	  SF	  model	  (rather	  than	  feedback)	  may	  ﬂajen	  LF	  at	  Muv≳-­‐16	  (Kuhlen+12;	  Jaacks+13)	  →	  Future	  test	  with	  2020s’	  instruments.	  Galaxy	  Morphology	  and	  Size	
Model	

Observa8on	？	

Disk	  galaxy	  at	  z∼10	  (Romano-­‐Diaz+	  ‘11)	

(Ono	  et	  al.	  2013)	

• 	  Major	  issues	  on	  high-­‐z	  galaxy	  morphologies	  and	  sizes.	  Today’s	  obs.	  	  – When	  did	  disk	  galaxies	  appear?	  (Romano-­‐Diaz+’11;	  as	  early	  as	  z∼10)	  – When	  did	  galaxy	  bulges	  form?	  (Oser+’10,’12	  –	  Two	  phase	  forma5on?)	  – How	  does	  the	  galaxy	  size	  distribu5on	  evolve?	  
→	  Constraints	  on	  structure	  forma5on	  and	  feedback	  processes	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  [compare	  with	  cosmological	  zoom-­‐in	  hydrodynamic	  simula5ons]	  	  Chemical	  enrichment	  of	  galaxies/IGM	
•How	  did	  chemical	  evolu5on	  in	  	  	  galaxies/IGM	  occur?	  
••••SF-­‐>	  metal	  Elemental	  mixing	  in	  ISM/IGM	  FMZ	  rela5on.	  (when	  and	  why?)	  Diversity	  of	  dust	  amount	  at	  z>6	  –•••

2	  pris5ne	  LLSs	  at	  z~3	e.g.,	  dust-­‐rich/poor	  QSOs	  z~2-­‐3	  PopIII/EMP	  galaxies.	  What	  is	  the	  lowest-­‐z	  of	  popIII(-­‐ish)	  galaxy	  forma5on?	  
Cosmological	  (CGM/IGM)	  metal	  enrichment	  (QSO	  absorp5on	  line	  systems)	  	  EMP	  stars	  in	  MilkyWay.	  

à Strong	  constraints	  on	  baryon	  physics	  in	  the	  cosmic	  history	  	  • Requested	  observa5ons	  •••Fumagalli+11	

Metal	  emisison:	  CIII]1909,	  [OII]3727,	  [OIII]4959/5007,	  [OIII]88um,	  [CII]158um,	  etc.	  
High	  spa5al	  resolu5on	  to	  probe	  elemental	  mixing.	  
Metal	  absorp5on:	  	  ––ISM	  density,	  temperature,	  radia5on	  intensity,	  etc.	  
Galaxy/CGM/IGM	  interac5on	  and	  feedback.	  3D	  absorp5on	  line	  tomography.	  Origins	  of	  Extreme	  Objects,	  SMGs,	  LABs	
[CII]	De	  Breuck	  et	  al.	  (2014)	
Ouchi	  et	  al.	  (2013)	
z=4.8	  SMG	  with	  rota5ng	  gas	  disk	  	  (cold	  gas	  accre5on?)	  	  	  z=6.6	  LAB (triple	  major	  merger?)	  • When	  and	  how	  did	  SMGs	  and	  LABs	  formed?	  
• Are	  SMGs	  related	  to	  cold	  gas	  accre5on	  and	  LABs	  related	  to	  major	  mergers?	  
• Are	  SMGs	  chemically	  evolved	  and	  LABs	  chemically	  un-­‐evolved?	  
High	  spa5al	  observa5ons	  are	  key.	  	SMBH	  Forma5on	  and	  Co-­‐Evolu5on	  with	  Galaxies	
SMBH	  in	  a	  high-­‐sigma	  peak	  at	  z∼6	 (Li+’07)	
SMBH	  in	  	MBH vs. Mbulge
M87

Milkyway

Haering & Rix 2004,ApJ, 604, L89 modiﬁed by K. Shimasaku

Volonteri	  &	  Rees	  (2006)	

• Existence	  of	  SMBH	  at	  z∼7	  (Mortlock+11)	  →	  Big	  Challenge	  to	  ΛCDM	  model	  – Seed	  for	  SMBH:	  	  Direct	  collapse	  vs.	  Pop	  III	  →	  How	  did	  they	  grow?	  

• M-­‐sigma	  rela5on	  (Ferrarese	  &	  Merrij	  ‘00,	  Gebhardt+’00):	  MBH/Mbulge~1%	  (Magorrian	  rela5on)	  →	  how	  was	  it	  established?	  COSMIC	  REIONIZATION	Probing Neutral Hydrogen Fraction, xHI, of IGM
Lyα Damping Wing Absorption	

Konno	  et	  al.	  (2014)	  Mortlock	  et	  al.	  (2011)	  • Lya/con5nuum	  is	  absorbed	  by	  HI	  in	  IGM	  at	  the	  epoch	  of	  reioniza5on	  (z>6).	  	  – Dropping	  the	  frac5on	  of	  Lya	  emizng	  to	  all	  galaxies	  (Stark+11,	  Ono+12,	  Pentericci+11,14,	  Schenker+12,14,	  Treu+13,	  Finkelstein+14)	  – Galaxies’	  Lya	  drop	  is	  stronger	  at	  high-­‐z.	  Accelerated	  evolu5on	  (e.g	  Konno+14).	  
– QSO/GRB	  Lya	  DW→	  Large	  xHI	  (>10%	  at	  z=6-­‐7;	  Mortlock+11,	  Totani+14).	  
→	  No	  wonder	  why	  there	  are	  no	  Lya	  emission	  detected	  at	  z≳8.	  Problem	  	  Tension	  with	  the	  CMB	  τel	  Measurements	
A	B	Lya	  DW	C	GRB	  DW	QSO	  GP	

Konno	  et	  al.	  (2014)	

• xHI	  es5mates	  from	  galaxy’s	  Lya	  (and	  UV	  con5nuum	  from	  GRB	  and	  QSO)	  	  	  	  	  	  	  →	  xHI	  ~	  0.5	  at	  z~7:	  sugges5ve	  of	  rela5vely	  late	  reioniza5on.	  
But,	  such	  a	  late	  reioniza5on	  cannot	  give	  a	  Thomson	  scajering	  τel	  as	  high	  as	  those	  from	  WMAP	  and	  Planck	  obs.	  Tension	  between	  xHI	  es5mates	  and	  τel.	  
• Diﬃcult	  to	  interpret	  the	  Lya	  emission	  dimming	  is	  100%	  caused	  by	  reioniza5on?	  
• Indica5on	  of	  Lya	  produc5on	  and	  escape	  from	  ISM	  and	  IGM	  including	  patchy	  reioniza5on.	  Or	  early	  par5ally	  ioniza5on	  eﬃciently	  contributed	  by	  popIII	  at	  z>10?	  Are	  Faint	  Galaxies	  Sources	  Reioniza5on?	

Ishigaki	  et	  al.	  (2014)	

•••Deep	  HST	  imaging	  on	  6	  clusters.	  Hubble	  Fron5er	  Fields	  (HFF;	  PI	  J.	  Lotz)	  Faintest	  dropout	  galaxies	  at	  z~6-­‐10.	  (+pushing	  redshi[	  fron5er)	  Early	  full-­‐depth	  data	  of	  A2744	  (~1/6)	  results	  (Atek/Zheng/Coe/Ishigaki/Oesch+14)	  •So	  far,	  down	  to	  -­‐17	  mag	  at	  z~6-­‐9.	  (mostly	  μ~1-­‐2,	  but	  up	  to	  μ~10).	  Missing	  Sources	  of	  Reioniza5on?	

Ishigaki	  et	  al.	  (2014)	
• Rapid	  decrease	  of	  ρUV	  (z),	  i.e.	  SFRD(z),	  at	  z>8	  • .fesc	  and	  CHII	  is	  unknown.	  (should	  be	  determined	  by	  observa5ons;	  e.g.	  Iwata,Inoue+09)	  • Free	  parameters	  of	  fesc	  and	  CHII.	  Ionized	  H	  frac5on	  QHII	  	  	  →τe	  does	  not	  agree	  with	  WMAP+Planck	  results	  • Decrease	  of	  ρUV	  (z)	  is	  too	  fast	  to	  produce	  the	  high	  τe.	  
• Why??	  	  – Moderate	  of	  ρUV	  (z)	  	  decrease	  at	  z>11,	  evolving	  free	  param,	  or	  addi5onal	  sources	  of	  reioniza5on?	

Summary	• Our	  Ac5vity	  to	  date	  →	  Iden5fying	  key	  ques5ons	  	  • 1.	  First	  object	  「初代天体と再電離」観測と理論の現状 (12ページ)	

– Galaxy	  luminosity	  func5on:	  • Highest	  redshi[	  end	  • Faintest	  end	  – When	  did	  ﬁrst	  galaxies	  appear?	  What	  mass/luminosity	  &	  redshi[?	  
– What	  is	  the	  morphology	  and	  size	  of	  galaxies?	  
– Chemical/dynamical/stellar-­‐popula5on	  of	  galaxies	  – When	  ac5ve	  objects,	  SMGs,	  LAB,	  and	  AGN	  formed?	  What	  the	  ﬁrst	  GRB	  and	  SN	  appears?	  

• 2.	  Cosmic	  reioniza5on	  – Neutral	  hydrogen	  frac5on,	  xHI,	  as	  a	  func5on	  of	  redshi[	  – What	  are	  sources	  of	  reioniza5on?	  (Are	  faint	  galaxies	  true?)	  	  • Inter-­‐category	  subj:	  QSO/AGN,	  low-­‐z	  gal,	  EMP	  stars	  (+Cosmology[CMB/21cm],	  SF,	  SN)	  • A[er	  this	  GOPIRA	  mee5ng,	  we	  will	  discuss	  observa5onal	  feasibili5es	  with	  2020s’	  instruments.