TMT 時代のサイエンス

銀河の形成と進化

嶋作一大 (東大)1この発表の目的
TMT の頃の銀河進化のサイエンスを考える
遠方銀河の観測に焦点を当てる

しかし誰のために？
銀河研究者のため？
各自やりたいサイエンスを持っている天文コミュニティのため？
良い資料がすでにある自分自身のため (現在の到達点、新たな動機付け)+資料を読むのが面倒な他分野の人のため- 銀河進化という高山を俯瞰- 登頂のための戦術を述べたものではない
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この発表の目的
TMT の頃の銀河進化のサイエンスを考える
遠方銀河の観測に焦点を当てる

しかし誰のために？
銀河研究者のため？
各自やりたいサイエンスを持っている
天文コミュニティのため？
良い資料がすでにある自分自身のため (現在の到達点、新たな動機付け)+資料を読むのが面倒な他分野の人のため- 銀河進化という高山を俯瞰- 登頂のための戦術を述べたものではない
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銀河の形成と進化の歴史：現在の理解
星形成率密度 [MsunMsun/yr//yr//yr/Mpc
Mpc3 ](宇宙の星形成活動の活発さ宇宙の星形成活動の活発さ))

赤方偏移て
かっ
向 下に
低
現在 調に
単最盛期
銀河進化の最重要期
さまざまな性質の銀河銀河の形態の確立

銀河団の形成
地球誕生

現在

銀河の起源
最初の銀河
(z～30?)
未発見
宇宙の再電離(z～10?)
未同定

宇宙年齢 (億年)億年)
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銀河の歴史のうわべをなぞったに過ぎない(一部の明るい銀河の、一部の性質を調べただけ)
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証拠写真

z=7.0

銀河の歴史のうわべをなぞったに過ぎない(一部の明るい銀河の、一部の性質を調べただけ)6観測によると銀河は、質量や環境によって性質が異なる
z=0 での銀河の星形成の活発さ vs 星質量

星形成の活発さ

渦巻銀河

矮小銀河
楕円銀河
もっと軽い銀河の数や性質はよくわかっていない星質量 [Msun]
Msun]
Brinchmann et al. 2004

銀河全体の進化を知るには、遠方宇宙でも同様の観測が必要
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理論によると銀河の進化は質量や環境に左右される
ΛCDM モデル = 宇宙定数＋冷たい暗黒物質＋少量のバリオン＋原始密度揺らぎ

原始の密度揺らぎ- 軽い銀河から重い銀河への階層的構造形成- 質量・時代・環境で異なる複雑なバリオン物理
ガスの冷却と星の形成
ガスへのフィードバック機構
超新星による加熱 → 軽い銀河に効く
AGNによる加熱 → 重い銀河に効く
環境効果 (銀河同士、銀河団物質、背景紫外線)・これらのバリオン物理はまだ解かれていない
・未知の機構が隠れているかもしれない

銀河
フィードバック

ガス

星
冷却

環境
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カギとなるパラメータ
内部構造

質量 (+星形成率)
銀河進化は質量に依存

L* 以下の銀河

形態以外の構造

進化の物理
形態
CDM、星、ガスの分布と運動
AGN/超大質量ブラックホール

環境
銀河進化は環境に依存
銀河密度、銀河団ガス、銀河間ガス

いろいろな環境の銀河

銀河の年齢
形成中の銀河

宇宙の年齢
再電離期の銀河
初代の銀河
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カギとなるパラメータ
未知のタイプの銀河- 星のない銀河- DM のない銀河

質量 (+星形成率)
銀河進化は質量に依存

L* 以下の銀河

内部構造

形態以外の構造

進化の物理
形態
CDM、星、ガスの分布と運動
AGN/超大質量ブラックホール

環境
銀河進化は環境に依存
銀河密度、銀河団ガス、銀河間ガス

いろいろな環境の銀河

銀河の年齢
形成中の銀河

宇宙の年齢
再電離期の銀河初代の銀河
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次世代望遠鏡の能力
TMT (30m)
集光力 = すばるの約 15 倍
角分解能 = すばるの約 4 倍 (どちらも AO)
点源の感度はすばるの約15倍

JWST (6.5m), SPICA (3.5m)
夜光なし ⇒ K-band 以降の感度が高い (大気吸収もない)
4.5Kに冷やすSPICAは中間・遠赤外でトップ表面輝度の低い天体が観測できる
大気なし ⇒ 広い視野で回折限界の画像

限界等級 (K band)
Subaru Super Deep Field = 26.5mag AB (点源、AO)
TMT のノルマ = 32mag- すばるより100倍暗い、という区切りの良さ- サイエンスからの要求
2um での回折限界- JWST は 34mag を狙う

すばる 0.”06 (500pc@z=3)
TMT0.”016 (130pc@z=3)11カギとなるパラメータ
未知のタイプの銀河- 星のない銀河- DM のない銀河

質量 (+星形成率)
銀河進化は質量に依存

L* 以下の銀河

内部構造

形態以外の構造

進化の物理
形態
CDM、星、ガスの分布と運動
AGN/超大質量ブラックホール

環境
銀河進化は環境に依存
銀河密度、銀河団ガス、銀河間ガス

いろいろな環境の銀河

銀河の年齢
形成中の銀河

宇宙の年齢
再電離期の銀河
初代の銀河
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パラメータ #１：質量軸銀河の見かけの K 等級6)
+
M*
(
河銀3)
+矮小M*
(
河銀矮小M*)(銀河い明るTMT,JWST

すばる
銀河進化の最重要期(星の集積、形態の確立)
星の集積、形態の確立)

軽い銀河を、銀河進化の最重要期で観測できる- 階層的構造形成の本質- 質量に依存するバリオン物理
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銀河の星質量の推定の現状

銀河の総質量の推定の現状

矮小銀河
redshift

ダークハローの質量 [MsunMsun]]星質量 [MsunMsun/h/h 2 ]銀河進化の最重要期

銀河進化の最重要期

銀河系

矮小銀河

Drory et al. 2005

Shimasaku+08

最重要期の矮小銀河が見えていない14

パラメータ #2：宇宙の時間軸
銀河の最遠方記録の変遷
宇宙の再イオン化
いつどのようして起こったか

宇宙で最初の銀河はいつ誕生し、どんな姿だったのか
最後のフロンティア

他分野にとっても特別な時代
恒星進化- 種族III星- 極超新星- ガンマ線バースト- 重元素合成
星形成- IMF の進化
- 原始ガスの冷却15超遠方銀河の見かけ等級 (静止系1500Aに対応)
1500(1+z) に対応するバンドパス

R Z

HKLM

TMT

0.1 Msun/yr1 Msun/yr
次世代望遠鏡

現在の限界

10 Msun/yr

0.1-1 Msun/yr⇔
1E+9～1E+10 MDH
100 arcmin2
10<z<30
2E+6 Mpc3

再イオン化時代、暗黒時代の銀河が見えてくる
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パラメータ #3：銀河の時間軸
形態の確立

銀河の合体と成長
DRGs
EROs

最初の星形成星の集積
LBGs

最初のガスの冷却

原始密度揺らぎ

LAEs？
SMGs

LABs

誰も見ていない

非常に若い銀河は数が少ない ⇒ すばるで探査 (Hyper Suprime-Cam)
次世代望遠鏡で詳細に観測銀河の生まれ方が分かる

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パラメータ #4：内部構造
形態

速度構造 (面分光)
VLT/SINFONIF-Schreiber+06(z=2.43)

Law+07

Akiyama+08

静止系紫外(HST)

静止系可視(すばる)

KeckII/OSIRIS
Law+07(z=2.18)明るい銀河の形態と、ごく少数の銀河の内部運動しか調べられていない
次世代望遠鏡 (高い集光力と角分解能 ＋ 面分光などの新技術)- 暗い銀河への拡張- 形態以外の構造- AGN、超大質量ブラックホール
銀河進化の物理が分かる
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パラメータ #5：環境
銀河

環境
銀河間ガスの降着
電離紫外線
銀河団の高温ガス銀河の相互作用、合体銀河団の重力銀河からのガスの流出
重元素汚染
電離紫外線の放射AGNからのエネルギー放出

主に z<1 についての、限られたデータしかない
次世代望遠鏡- 銀河進化の最重要期である z～1-4- さまざまな環境での詳細な観測
環境効果の物理がわかる
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次世代望遠鏡によって、見える部分は大幅に広がる
未知のタイプの銀河- 星のない銀河- DM のない銀河

質量 (+星形成率)
銀河進化は質量に依存

L* 以下の銀河

内部構造

形態以外の進化の物理構造
形態
CDM、星、ガスの分布と運動
AGN/超大質量ブラックホール

環境
銀河進化は環境に依存
銀河密度、銀河団ガス、銀河間ガス

いろいろな環境の銀河

銀河の年齢
形成中の銀河宇宙の年齢
再電離期の銀河
初代の銀河結末は？
- 銀河進化が解明されるかもしれない (登頂)
- 説明できない現象が見つかるかもしれない (遭難)- 本質的な進展はないかもしれない (足踏み)20

銀河進化が分かれば満足か
銀河進化- 単に複雑なだけの応用物理？ (“知的な泥レス”)- 宇宙で一回きりしか起こらない各論？
生物学- 生命現象は物理法則 (化学を含む) で記述できる- 地上の生命進化は一回きりの各論- 自然淘汰は物理法則を超えた普遍的概念
銀河進化にも物理を超えた「何か」はないか？
なさそう (だが決め付けは禁物)
天体物理学以外の視点での動機付けはないか？

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銀河とは？
Sandage 1961, The Hubble Atlas of Galaxies“Galaxies are to astronomy what atoms are to physics”
天文学にとっての銀河は、物理学にとっての原子
Binney & Tremaine 1987, Galactic Dynamics“Galaxies are to astronomy as ecosystems are to biology”
天文学にとっての銀河は、生物学にとっての生態系
物理学から生物学へ
我々はなぜ、この宇宙の、この時代の、この銀河にいるのか「銀河生物学」
銀河研究の動機付けの問題
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できごとlog 年
ビッグバン (E-∞歳)
軽元素合成 (E-6歳)
晴れ上がり (E+5.5歳)最初の銀河 (E+8歳)
現在 (E+10歳)

宇宙の年表

最後の主系列星 (E+13歳)- 宇宙論パラメータの数値と解釈が正しければ、宇宙は無限の未来まで存在する- 星の系としての銀河が存在するのは、1 億歳から 10 兆歳までの 5 桁の時間スケールのみ

宇宙の年表において銀河は儚い存在- 儚いゆえにいとおしい- 我々生命は銀河と運命をともにする
宇宙の歴史の中で、我々生命は、いつ、どこに存在できるのだろうか
無限の未来
Adams & Lauglin 199723

Cosmic Habitable Spacetime
宇宙の中で、生命の住める場所と時刻を特定する生命は、 適切な銀河の中の適切な場所にある適切な惑星に住めるどこ？ (銀河系のオリオン腕は典型か)← 銀河ごと、銀河内部の星形成史
いつ？ (100億歳は典型か)← 過去と未来の星形成史
銀河の研究は過去を振り返るばかりでは駄目

∞

現在

ビッグバン

宇宙の星形成史

銀河進化モデルの構築が必要
惑星形成論との融合
生命は、 ほとんど交流のない銀河と惑星の研究者が共有できる唯一の動機？

そもそも宇宙は永遠に存在するのか
暗黒物質と暗黒エネルギーの正体
物理定数は本当に定数か？

これらは銀河を使って調べることができる
我々はなぜこの宇宙にいるのか
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まとめ
次世代望遠鏡は、銀河のパラメータ空間を隅々まで照らし出す
未知のタイプの銀河- 星のない銀河- DM のない銀河

質量 (+星形成率)
銀河進化は質量に依存

L* 以下の銀河

内部構造

形態以外の構造進化の物理形態
CDM、星、ガスの分布と運動AGN/超大質量ブラックホール

環境
銀河進化は環境に依存
銀河密度、銀河団ガス、銀河間ガス

銀河進化の謎が解けてしまう？
新たな謎が出てくる？
本質的な進展はあまりない？

いろいろな環境の銀河

銀河の年齢
形成中の銀河

宇宙の年齢

とにかくやってみる

再電離期の銀河
初代の銀河

宇宙や我々の存在についての理解も進む25

(質疑応答 — Q:質問, A:回答, C:コメント — 氏名無しは発表者の発言, 敬称略)
(C) 限界 32-33 等は点源を撮像する場合。銀河のような extended sources では様々な要因が入ってくるので、そこまで暗い銀河は見えないだろう。 (市川た)(C) 「銀河生物学」というフレーズは是非使いたい。銀河心理学という言葉があり、人が SDSS 渦状銀河の画像を用いて、これらが右巻きと思うか左巻きと思うか (正しくは S 型か Z 型か、らしい) を調べた所、わざわざ裏返しにした画像なども盛り込んでいたにもかかわらず、有意に左巻き [右巻き？？？] と答える人が多かった、という話がある。「銀河生物学」という言葉からこの話題を思い出した。 (家)(Q) TMT でのメインは分光観測になる。分光観測のサンプルはどのように用意するのが良いと思われるか？ (山田と)(A) ？？？
(Q) また、銀河の年齢に加えて、その銀河がいつ (宇宙年齢がいくつの時に) 生まれたかも重要な要素と考えられるが？ (山田と)(A) その通りで、講演で示したパラメータ空間を埋めることで、それらがはっきりすると考えている。