銀河形成研究のこれまでの進展とこれから

播金優一 (東京大学)

本日の内容• （日本の）銀河形成研究の進展• 今後10年の展開 (JWST, Roman, TMT…)• 日本の2030年代の将来計画

銀河形成研究の目標• 銀河はいつ・どのように形成したのか？
– 初代銀河、初代星• 銀河はどのように進化したのか？

– 星集積史、化学進化、AGN、再電離…

初代銀河(z~20-10?)

銀河進化

現在NAOJすばる/Hyper Suprime-Cam (HSC)• 広視野 可視撮像装置 (↔ ハッブル)– ユニークな研究で世界をリード• HSC SSP survey (PI: 宮崎さん)– 100以上の銀河形成に関する論文© Subaru Telescope遠方銀河の超大規模サンプル• Dropout 選択 -> 400万個のz~2-7銀河– 世界最大のサンプル

Ono+18遠方銀河の超大規模サンプル• Dropout 選択 -> 400万個のz~2-7銀河– 世界最大のサンプル

10倍以上

Ono+18Harikane+21a

HSCによるクェーサー探査• >1000個のz~4-7 低光度クェーサー– Akiyama+18, Niida+20, Matsuoka+16,+18abc,+19,+21

Matsuoka+21

UV光度関数• 銀河 (AGN) が MUV>-22 (MUV<-24) 等級で支配的• 明るい側でSchechter関数から超過
AGN dominatedGalaxy dominatedGalaxy luminosity functions
Quasar luminosity functions

Harikane+21赤方偏移進化• MUV~-21 mag (L*): z~4 -> 10で100倍以上減少• Bright end: ほぼconstant– 明るい銀河の星形成効率が高い？

Harikane+21, see also Bowler+20

HSCによるLAE探査• 狭帯域フィルターでLya emitter (LAE) 探査– 9318 LAEs at z=2.2, 3.3, 4.9, 5.7, 6.6, 7.0, 7.3 (Ono+21)• Lya 光度関数、相関関数で再電離史に制限
z=3.3

z=4.9

z=5.7
z=6.6

z=2.2

z=7.0

Ono+21

Ouchi+18
See also Goto+21

分光 w/ すばる/PFS• PFS (2024~) → 50000個以上のspec-z銀河 (z=2-7)• SKA 21cm-LAEとの相互相関– 再電離史、電離バブルに制限
LBGsLAEs

PFS high-z document

最遠方銀河
• GN-z11 at z=10.96– EWCIII]=40 A → AGN? High C abundance?
– Muv=-22 mag (明るい!) -> z>11に祖先

Jiang,Kashikawa+20

Oesch+16

z>10の星形成活動• M1149-JD1 at z=9.11– 近赤外画像 → z~15の星形成を示唆• z~6 passive銀河候補, z~13銀河候補

Balmerbreak
z=9.11

Mawatari+19
Hashimoto+18

z>10の星形成活動• M1149-JD1 at z=9.11– 近赤外画像 → z~15の星形成を示唆• z~6 passive銀河候補, z~13銀河候補

Balmerbreak
z=9.11

Mawatari+19
Hashimoto+18

Harikane+21b

JWST• 去年12/25打ち上げ → 今年の春-夏頃観測開始– 燃料は20年以上持つ (2030年代も観測可能かも)
撮像

分光STScIJWST• Cycle 1 GO: z=9-13の銀河(候補)の分光– GO-1740 (PI: Harikane) z~13銀河候補– GO-1433 (PI: Coe) z=11 lensed銀河候補– GO-1758 (PI: Finkelstein) z=10.57銀河– GO-2659 (PI: Weaver) z=9-10銀河候補– GO-2426 (PI: Bagley) z=9-10銀河候補– GN-z11 z=10.96 (NIRSpec+NIRCam複数 GTO,GO)

Coe+13

JWSTの限界？
• 最遠方銀河: z~14くらいまで？

– 視野の狭さがネック、分光は難しい？
JADES (GTO探査)

Rieke+19

PRIMER (GO探査)

DunlopHarikane+21b

JWST• 可視輝線分光による化学進化 (金属量, 組成比)
– GO-1657 (PI: Harikane) z=6-7, [OIII]5007+ALMA[OIII]88– GO-1879 (PI: Curti) z=1.6-3.0, [OIII]4363, [SII]4069– GO-1914 (PI: Shapley) z=1.5-4.0, [OIII]4363?
– GO-2593 (PI: Strom) z=2, [SIII]6312, [OII]7320,7330

Harikane+Isobe+21

Euclid• 2023年打ち上げ予定 (Wide: 15000 deg2, 24 mag)
– J-dropout (z~10) まで (現実的にはY-dropかも)– z~7-9 QSOを100個以上検出 (Barnett+19)

CaltechRoman (see 住さんtalk)• 2026年打ち上げ予定 (HLS: 2000deg2, 27 mag)• z~5-13の大規模銀河サンプルが構築可能– z~14-15は簡単でない (Ks検出のみ)、z>15は不可能 (HLS)

6~3,300,000

7~530,000

8~280,000

9~75,000

10~19,000

13~8,000-33
z~6-10: from S. Finkelsteinz~13: Harikane+21bNASAUS Astro2020 Decadal Survey(see 山田さんtalk)• Cosmic ecosystem• Priority: Unveiling the Drivers of Galaxy Growth– First source and IGM from cosmic dawn
– Gas, metals, and dust flows in galaxies– Supermassive black holes and their host galaxies

NAP

US Astro2020 Decadal Survey• TMT/GMT– 若い (小質量) 銀河の調査 (Pop-III)– Lyaフィラメント (銀河-CGM関係)– AOで遠方銀河の形態、gas inflow/outflow• 6m UV+Opt+IR (see 住さんtalk)(see 左近さんtalk)• FIR-probe

z=6.6

Pop-III銀河 at z=6.6

Harikane+Harikane+Voyage2050 ESA Cosmic Vision• Multiphase ISM in galaxy evolution– 2m望遠鏡の遠赤外high resolution分光– OI, CI, [CII], [NII]等のFIR輝線で3D mapping

Sun+19日本の将来計画• IPST• HiZ-GUNDAM• LAPYUTA• GREX-PLUS(光赤外MP2023受付順)

IPST (see 松浦さんtalk)• 黄道光を抑えることで感度を改善– MIRの背景放射を捉える– 起源: 宇宙初期・高赤方偏移天体?

  HiZ-GUNDAM (see 米徳さんtalk)• z>6 GRB観測– GRB発生率に制限 → 宇宙の星形成率密度– 初代星起源GRBの探査– 宇宙再電離時期の特定  

LAPYUTA (see 土屋さんtalk)• Lya intensity/emitter/absorberを近傍宇宙でmapping– 銀河-CGM-IGMの関係

  

GREX-PLUS (see 井上さんtalk)• 赤外広視野撮像でz>14の宇宙・初代銀河を探査– JWST, ALMAで分光可能 →物理的性質– 宇宙の星集積史 (Mstar>109 Msun at z~0-8)– ダストで隠された銀河・ブラックホール

GREX-PLUS WG

Summary• 日本:すばるの広視野探査で統計銀河天文学を先導– 光度関数、相関関数、• JWST, Euclid, Roman, PFS– z~14まで銀河を探査 (JWST, Roman) (+分光)– >100 quasars at z>7 (Euclid)– z<7 分光大サンプル (PFS)• 日本の将来計画– IPST (MIR背景放射)– LAPYUTA (近傍Lya mapping)– HiZ-GUNDAM (z>7 GRB発生率, 再電離)– GREX-PLUS (z>14 初代銀河探査, 星集積史…)