2022.03.14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

JWSTSPICA

GREX-PLUS

南極THz望遠鏡

z>6

SPICAで検討した high-z AGN サイエンスの紹介と南極テラヘルツ望遠鏡への展望

鳥羽 儀樹
京都大学 -> 国立天文台（4月から）

Introduction

AGN in the early Universe• ~200 quasars at z > 6 have been discovered so far.
• We can do a statistical investigation of those quasars in the early
Universe (e.g., luminosity function).

• In the 2030s, can we do similar works even for z > 7 quasars!?
Ross+19z > 6 quasars© Matsuoka-san2

Introduction

Key questions• When and how was the dusty torus formed?
• How do their NIR-FIR SEDs look like?
SPICA conference (2013) のポスター

大学院生時代からずっと興味持ってます。

3

SPICAで検討した high-z AGN サイエンスの紹介と南極テラヘルツ望遠鏡への展望

z>6JWSTSPICA

SPICAで検討した high-z AGN サイエンス• Hot dust-free quasars• SED analysis• Dust composition

SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

When and how was the dusty
torus of quasar formed?

Hot dust-free quasars(DFQs) at z ~ 6

λLλ [erg s-1 cm-2]

SPICA × high-z AGN サイエンス

Normal quasar SED template

10–13

hot dust+ disk
hot dustdisk
component component

10–1410–15

SDSS J084229+121850.5 (z=6.08)
0.4

14

λLλ [erg s-1 cm-2]

Rest wavelength [μm]10–13Dust-free quasar
SDSS J000552.34-000655.8 (z=5.85)

Spitzer

10–14
10–15

Non hot dust
Component
0.4

614Rest wavelength [μm]Jiang et al. (2010)

Hot dust-free quasars(DFQs) at z ~ 6

λLλ [erg s-1 cm-2]

SPICA × high-z AGN サイエンス

Normal quasar SED template

10–13

hot dust+ diskhot dust
disk
component component

10–14
10–15

SDSS J084229+121850.5 (z=6.08)
0.414λLλ [erg s-1 cm-2]

Rest wavelength [μm]10–13Dust-free quasar
SDSS J000552.34-000655.8 (z=5.85)

Spitzer

10–14
10–15

Non hot dust
Component
0.4

614Rest wavelength [μm]Jiang et al. (2010)

SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

Hot dust-free quasars (DFQs)
Jiang et al. (2010)
Accretion disk

Hot dust

Spitzer
DFQs
7

SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

Hot dust-free quasars (DFQs)
Jiang et al. (2010)
Accretion
diskDFQs are likely to be first-generationThesequasars born in dust-free environments.
Theyaretooyoung
tohaveformedaHot dust
detectable amount of hot dust aroundthem.
Spitzer
DFQs
7

SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

We know only two DFQs at z~6
namez

M1450

SDSS
5.84
J0005-0006-25.73SDSS
6.07
J0303-0019-25.56• We have investigated only luminous
quasars selected with SDSS.

Eilers et al. (2017)• How about less luminous

quasars selected with HSC?

8(see Matsuoka+16,18abc,19ab, 21)SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

MBH dependence on the hot-dust abundance

DFQs
SHELLQs quasars!?
(e.g., Onoue+19)
Jiang et al. (2010)

9SPICA × high-z AGN サイエンス

The origin of dust torus

λLλ [erg s-1 cm-2]

JWST/SPICA proposal
Dust-free quasar

10–13

SDSS J000552.34-000655.8 (z=5.85)

10–14
10–15

Non hot dust
Component
0.4

1Sampleselection

Follow-up obs.

Luminosity

SDSS

Spitzerhigh L

HSC

JWST
SPICA

low L

4Rest wavelength [μm]

• Investigating hot dust properties of lessluminous quasars.

• Search for DFQs in the early Universe.
10

SPICA × high-z AGN サイエンス

Rest-frame IR SEDs

How do their NIR-FIR SEDs
look like?

SPICA × high-z AGN サイエンス

Rest-frame IR SEDs

NIR-FIR SED of luminous quasars at z > 5
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014ApJ...785..154L/abstract

12

Figure 2. Schematic representation of the components
used for SED fitting. As an example, we use the observed
photometry of the z = 5.03 QSO J1204−0021.

SPICA × high-z AGN サイエンス

Rest-frame IR SEDs

NIR-FIR SED of luminous quasars at z > 5
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014ApJ...785..154L/abstract

SPIRE で受かった天体は 12/69 (17%)(うち、z > 6 は ３天体）
ダスト温度が決まった天体は 6/69 (8%)(うち、z > 6 は 1天体）
（それ以外は Tdust = 47 K でﬁxして解析）
12

Figure 2. Schematic representation of the components
used for SED fitting. As an example, we use the observed
photometry of the z = 5.03 QSO J1204−0021.

SPICAで検討した high-z AGN サイエンスの紹介と南極テラヘルツ望遠鏡への展望

z>6

GREX-PLUS

南極THz望遠鏡

南極テラヘルツ望遠鏡によるhigh-z AGN 研究
高感度・多周波観測が活きるサイエンス•Unobscured AGN (quasars) の FIR SED【追観測】広視野が活きるサイエンス•Obscured AGN at z > 4【探査】南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

南極 12m テラヘルツ望遠鏡(ATT12) の感度−連続波−14

https://www.px.tsukuba.ac.jp/~nakai/astroobs/pdf/antarctic12m-continuum.pdf

z>6

GREX-PLUS

南極THz望遠鏡

高感度・多周波観測が活きるサイエンス

Unobscured AGN (quasars) のFIR SED【追観測】• Hot dust-free quasars• Low-luminosity quasars• High-luminosity quasars

The origin of dust torus

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

SDSS hot dust-free quasars (DFQs)
SWIRE QSO1 template (Polletta+07),
scaled by y-band flux

DIsk component

1hr, 5σ

SPICAを用いること
で、SDSS Hot DFQsの warm dust の有無は検証できそうだった
16

The origin of dust torus

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

SDSS hot dust-free quasars (DFQs)

cold dust poor でない場合は
SWIRE QSO1 template (Polletta+07),
scaled by y-band flux

ATT12 で cold dust 放射を検出可能！
DIsk component

SPIC
Aを用
いる
こと
ATT30なら cold dust free か否かもで、SDSS Hot DFQs含めて判断可能！?の warm dust の有無
1hr, 5σは検証できそうだった
16

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

A low-L HSC quasar

ALMA (Izumi+18)
1hr, 5σJzyDIskcomponent

SWIRE QSO1 template(Polletta+07), scaled byy-band flux17

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

SEDs of SHELLQs quasars with MBH

18

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

SEDs of SHELLQs quasars with MBH

典型的な type 1 AGN template でFIR が説明できる天体が多い!?

18

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

SEDs of SHELLQs quasars with MBH

cold dust poor quasars の候補も!?
18

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

The origin of dust torus

SEDs of SHELLQs quasars with MBH

low-L quasars の FIR SED 系統的調査
は ATT30 の時代に本格化できそう

18

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Rest-frame IR SEDs

SEDs of high-L SDSS quasars at z > 619

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Rest-frame IR SEDs

SEDs of high-L SDSS quasars at z > 6High-z bright quasars の rest FIR SED(Tdust, Mdust) の系統的調査が可能に！

これから見つかってくるであろうz > 7,8 天体とも相性抜群
19

z>6

GREX-PLUS

南極THz望遠鏡

広視野が活きるサイエンス

Obscured AGN at z > 4【探査】• Optically-dark AGN• Roman “drop-out”

Idea

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

何を明らかにしたいか
Optically-dark AGN が宇宙のSMBHの質量降着史に果たした役割

21Aird+15

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Preparatory work

Optically dark AGN in the AKARI-NEP
Optical

IR

HST
HSC

Radio
ALMA

AKARI

(~0.01 deg2)(~5.4 deg2

wavelength(see also, e.g., Hughes+98, Williams+19,
22 Yamaguchi+19, Wang+19, Umehata+20, Smail+21)

Toba+20c

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Preparatory work

Optically dark AGN in the AKARI-NEP
OpticalIRHSTHSC

Radio
ALMA

AKARI

(~0.01 deg2)(~5.4 deg2

wavelength

AGN-dominant と期待できる
optically dark 銀河の発見(see also, e.g., Hughes+98, Williams+19,
22 Yamaguchi+19, Wang+19, Umehata+20, Smail+21)

Toba+20c

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Expected SED as a function of redshift
optically dark AGN(Toba+20c)の composite SED

z=0
z=1
z=2
z=3
z=4

23

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Expected SED as a function of redshift
unWISE/ALLWISE

ATT12Confusion
limit

Euclid (wide)
NIRSpec/JWSTMIRI/JWSTGREX-PLUS (wide)

Roman
LSST (wide)

GREX-PLUS (medium)z=0
z=1
z=2z=3z=423

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Expected SED as a function of redshift
unWISE/ALLWISE

ATT12Confusion
limit

Euclid (wide)
NIRSpec/JWSTMIRI/JWSTGREX-PLUS (wide)

Roman
LSST (wide)

GREX-PLUS (medium)

z=0
z=1
z=2
z=3z=423

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

Expected SED as a function of redshift
unWISE/ALLWISE

ATT12Confusion
limit

GREX-PLUS と ATT12z=0 で

Euclid (wide)

NIRSpec/JWSTMIRI/JWST

z=1z=2z=3z=4

Roman “dropout” AGN at z > 4
GREX-PLUS (wide)

RomanLSST (wide)

GREX-PLUS (medium)の系統的探査 (e.g., 100平方度）
23

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

発見期待値 (100平方度探査した場合）
Redshift

Surface density[deg-2]

Expected number

1<z<25.6~5502<z<3

1.5~ 150

3<z<42.1~ 200z>40.2~ 20

100 deg2※ 下限値24※ Toba+20c で発見された optically-dark 銀河のうち、photo-z が決定できた天体数からの見積もり

2022.03.14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

Summary
12 m

口径
積分時間
Unobscured
AGN
Obscured
AGN

1 hr

30 m
10hr

high-L
mediam-L(M1450 ~ -26) (M1450 ~ -25)

1hr

10hrlow-L(M1450 ~ -24)cold-dust
poor AGN

Roman-dropout AGN at z > 4• SED 解析（Tdust, Mdust の z 進化など）• GREX-PLUSやFORCEなどとのシナジーにも期待2022.03.14

南極から遠赤外線-テラヘルツ波で探る宇宙

Summary
12 m

口径
積分時間

1 hr

30 m
10hr

1hr

10hr

追観

Unobscured
high-L
mediam-L
low-L
cold-dust 測
AGN高感度・多周波観測が活きるサイエンス(M1450 ~ -26) (M1450 ~ -25) (M1450 ~ -24)
poor AGN
ObscuredAGN

Roman-dropout AGN at z > 4
広視野が活きるサイエンス• SED 解析（Tdust, Mdust の z 進化など）• GREX-PLUSやFORCEなどとのシナジーにも期待

探査

END

unWISE/ALLWISEATT12Confusion
limit

Euclid (wide)
NIRSpec/JWSTMIRI/JWSTGREX-PLUS (wide)

Roman
LSST (wide)

GREX-PLUS (medium)

z=0
z=1
z=2
z=3
z=427

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

feasibility

戦略提案
rest-FIR SED の決定-> low-z AGNのSEDと比較、ダスト質量（温度）のz進化、理論モデルとの比較など• high-z クエーサー at z > 6【既知天体の追観測】• SDSSクラスの明るいクエーサーをATT12でフォローアップ。
• HSCクラスの暗いクエーサーをATT30でフォローアップ。cold dust poor/free ク
エーサー探査• ATT稼働時にz > 7 や z > 8 のクエーサーが見つかっていたとしても、negative Kcorrection が効くので、ATT12/30で観測可能。

• high-z obscured AGN at z > 4【未知天体の探査】• Roman-dropout AGN は ATTやGREX-PLUSでしか見つけられない種族。FORCE とのシナジーでAGNの性質（X線光度, NHなど）も推定可能（日本主導ミッションの独壇場）• 銀河進化の中でこの種族を特徴付ける

28

時間が余ればIntroduction

Importance of dust in high-z galaxies/AGNs• Understanding the following dust properties as afunction of redshift:• Composition• Size distribution• Abundance• Source of dust in the early Universe:• type II SN?
• AGB?
• POPIII?

30

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

feasibility

GREX-PLUSとのシナジー• LSST や Roman でも “見えない” けど、GREX-PLUS 5-10µm 帯だけが “見える”、そんな天体があればステキ。。🥺

• 実際にいるかは別として、そのような天体がどのような性質を持ち得るのかを調査• SED template 生成ツールとして CIGALE を使い、パラメータサーチを実施• redshidt, SFH, SSP, IMF, AGN トーラス モデル, ダスト モ
デル のパラメータを振り、約7000万個のtemplate を作成• その中で、条件を満たしそうなものを抽出
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feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

GREX-PLUSとのシナジー
Confusion
limit

ATT12
GREX-PLUS (wide)

Euclid (wide)
Roman

3<z<5
Av (ISM) > 10-100
Edge-on view (type 2 AGN)
LIR (AGN) /LIR > 0.8

GREX-PLUS (medium)

LSST (wide)32

feasibility

南極THz望遠鏡 × high-z AGNサイエンス

GREX-PLUSとのシナジー
Confusion
limit

ATT12
GREX-PLUS (wide)

3<z<5
Av (ISM) > 10-100
Edge-on view (type 2 AGN)

Roman “dropout” AGN at z > 4
Euclid (wide)の素性を知る最適な組み合わせの１つ
L (AGN) /L > 0.8
RomanIRIR

GREX-PLUS (medium)

LSST (wide)

32