最遠方天体「平成」から「令和」へ

井上昭雄
早稲田大学理工学術院先進理工学部物理学科
早稲田大学理工学術院総合研究所
2019/12/25

理論懇シンポジウム

1

もくじ• 「平成」の約３０年間で最遠方天体記録がどのように伸びていったか• 技術の進歩、新手法の活用、新装置の稼働• 「令和」の時代にどのような進展が予想されるか• 新宇宙望遠鏡案

2019/12/25

理論懇シンポジウム2

「最遠方天体」の何がおもしろいのか？
•発見された時代までの時間が短く、それを作るのが難しい場合がある• 最遠方クェーサーと巨大ブラックホール形成問題• 最遠方パッシブ銀河と大質量銀河形成•その時代でもっとも明るい、つまり、もっとも大質量ということは、さらにそれより以前の歴史の手掛かりを提供• 「第一世代銀河」•もっともシンプルでわかりやすい、人類の知のフロンティア• 赤方偏移という一つの数値で勝負！
• アウトリーチしやすい2019/12/25

理論懇シンポジウム3

最高赤方偏移記録の変遷(～平成２１年)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

クェーサー

銀河

2019/12/25

理論懇シンポジウム

4昭和から平成へのころ•クェーサーの赤方偏移が４を超えてくる• Warren et al.1987,Nature,325,131 (z=4.01)•UK Schmidt Telescope (1.24m)“color selection”+
Anglo-Australian Telescope (3.9m) spectroscopy• Schneider et al.1989,

AJ,98,1951 (z=4.73)• Schneider et al.1991,AJ,102,837 (z=4.897)•Palomar CCD survey

B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

平成元年(1989)

クェーサー

銀河

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理論懇シンポジウム5平成９～１０年•銀河の赤方偏移がクェーサーを追い越し、５を超える• Franx et al.1997,ApJ,486,L75 (z=4.92)• Dey et al.1998,ApJ,498,L93 (z=5.34)• ライマンブレイク法• Steidel et al.1992,AJ,104,941

B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

平成9年(1997)• Keck望遠鏡による分光

クェーサー

銀河

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理論懇シンポジウム

6平成９年～１２年•GRB970228• 初めてアフターグロウを検出→ホスト銀河• van Paradijs et al.1997,Nature,386,686• Sahu et al.1997,Nature,387,476• Costa et al.1997,Nature,387,783• Bloom et al.2000,ApJ,554,678 (z=0.695)

2019/12/25

理論懇シンポジウム7平成１２～１４年•SDSSクェーサーが赤方偏移６を超える• Fan et al.2000,AJ,120,1167 (z=5.80)• Pentericci et al.2002,AJ,123,2151 (z=6.28)
VLT/FORS2 (Pentericci+02)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

z=6.28

GRB

平成12年(2000)

クェーサー

銀河

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理論懇シンポジウム8平成１４年•銀河の赤方偏移も６を超える• Hu et al.2002,ApJ,568,L75 (z=6.56)•ライマンα輝線銀河(LAE)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

NB9152

RGRB

平成14年(2002)

クェーサー

Keck/LRIS

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銀河理論懇シンポジウム9平成１８年：すばる黄金期•銀河の赤方偏移がおよそ７に• Iye et al.2006,Nature,443,7108 (z=6.96)•すばる望遠鏡主焦点カメラ狭帯域探査• ライマンα輝線銀河(LAE)

B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

平成18年(2006)

クェーサー

銀河

2019/12/25

理論懇シンポジウム10平成１８年：すばる黄金期

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理論懇シンポジウム11平成２１年•GRBの赤方偏移が8を超える• Tanvir et al.2009,Nature,461,1254 (z=8.2)
平成21年(2009)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

クェーサー

銀河

2019/12/25

理論懇シンポジウム12平成２２～２３年：たまには幻も？

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VLT/SINFONI

理論懇シンポジウム

VLT/X-Shooter

13平成２４年：すばる黄金期(つづき)•銀河の赤方偏移記録更新(z=7.215)• Shibuya et al.2012,ApJ,752,114

2019/12/25

理論懇シンポジウム14平成２５年：HST+MOSFIRE/X-Shooter•ハッブル宇宙望遠鏡のSM-4(平成２１年)• 新型カメラWFC3へ交換→近赤外線撮像感度上昇•ある程度の広さで撮像探査→Keck/VLT分光• Finkelstein et al.2013,Nature,502,524 (z=7.51)

2019/12/25

理論懇シンポジウム15平成２７年•銀河がGRBを抜いて最遠方記録に• Zitrin et al.2015,ApJ,810,L12 (z=8.68)

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理論懇シンポジウム16平成２８年：GN-z11は参考記録？
•HSTグリズム分光• Oesch et al.2016,ApJ,819,129 (z=11.1)

2019/12/25

理論懇シンポジウム17こんな話もあります：GN-z11Sonneborn+96

F1907/F1909～0.5→ n～1e5 cm-3 ?
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理論懇シンポジウム

1811?

最高赤方偏移記録の変遷(～平成３０年)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

8.68
8.2
7.54

クェーサー

銀河

2020
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理論懇シンポジウム

19

ALMAによる最遠方天体の輝線観測[OIII]88ミクロン輝線の検出可能性 (Inoue et al.2014)• 最遠方酸素の検出([OIII]88 at z=7.21; Inoue et al.2016)• ALMA Cy3 Grade-A proposal (PI: A.K.Inoue)•NAOJ/ALMA

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理論懇シンポジウム

20

MACS1149-JD1• 最遠方ライマンブレイク銀河「候補」

Lyα wavelength(1216Å)

MACS1149-JD1
at photo-z=9.6±0.2
Zheng et al. 2012, Nature, 489, 406

HSTSpitzer Space Telescope

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理論懇シンポジウム

21

MACS1149-JD1

Hashimoto+AKI+18, Nature• 観測：２０１６年３月～２０１７年４月• 積分時間：約５時間 (on-source)• ４つの振動数セットアップ
Redshift for [O III] 88

Observed wavelength [micron]2019/12/25

理論懇シンポジウム

22

MACS1149-JD1

Hashimoto+AKI+18, Nature• [OIII]88輝線の検出：7.4σ• 輝線赤方偏移記録の更新！

ALMA [OIII]88 contour
on HST F160W[OIII]88 at z=9.1096 !

7.4σ

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理論懇シンポジウム

23

MACS1149-JD1• VLT/X-Shooter

Lyα輝線の兆候• 450 km/s blueshift• UKとのコラボ

2019/12/25

理論懇シンポジウム

24

MACS1149-JD1

Hashimoto+AKI+18, Nature•バルマーブレイク！
• 恒星の年齢は約３億年• ２段階の星形成か？

• 最初の星形成はz=15！

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理論懇シンポジウム

25

MACS1149-JD1

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Artist impression

理論懇シンポジウム

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Emission line redshift ranking as of December 2019
Object nameLine redshifts

Lines

References

1 MACS1149-JD1

9.110, 9.094[OIII]88, LyA

Hashimoto+AKI+18

2 EGS8p7

8.683

LyA, NV1243

Zitrin+15, Mainali+18

3 A2744_YD48.382

LyA, [OIII]88

Laporte+17

4 MACS0416_Y1

8.312[OIII]88

Tamura+AKI+195 EGS-zs8-1

7.730

LyA, CIII]1909

Stark+17

6 Z7_GSD_3811

7.664

LyA

Song+16

7 MACS1423-z7p64

7.640

LyA

Hoag+178 Z7_GND_16863

7.599

LyA

Jung+19

9 QSO J1342+0928

7.541[CII]158, LyA+

Banados+18

10 Z8_GND_5296

7.503

LyA, CIII]1909

Finkelstein+13, Hutchison+19

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理論懇シンポジウム

27

11?

最高赤方偏移記録の変遷(～令和元年)
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

9.11
8.2
7.54

クェーサー

銀河20202019/12/25

理論懇シンポジウム

28

「令和」の時代に

2019/12/25

理論懇シンポジウム29超遠方銀河の数密度予想

これまでのUV
光度関数の外挿による経験的予想(井上2019)2019/12/25

理論懇シンポジウム

30

「令和」時代の近赤外線撮像探査
JWST
JADES-D:46 arcmin2,29.7AB
JADES-M:
190 arcmin2,28.7AB
CEERS:
100 arcmin2,28AB

Euclid Deep:
40 deg2,
H<26ABWFIRST HLS:
2,000 deg2,
H<26.7AB
2019/12/25

理論懇シンポジウム31

検出期待個数WFIRST HLS
H<26.7AB!
Euclid Deep
H<26AB

2019/12/25

理論懇シンポジウム

JWST CEERS
m<28AB

32

Hバンドドロップ問題
JWST (Narrow FoV)K

Euclid/WFIRST

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理論懇シンポジウム!!!

33

Hバンドドロップ問題の解決法
Wide-field Imaging Surveyor for High redshift
T. Yamada (2009)

波長２ミクロン以上

十分な広視野2019/12/25

理論懇シンポジウム

34

「令和」時代の近赤外線撮像探査•JWST•JADES-D:

WISH-like:
100 deg2,28AB

46
arcmin2,29.7AB•JADES-M:
190
arcmin2,28.7AB•CEERS:100
arcmin2,28AB

Euclid Deep:
40 deg2,
H<26ABWFIRST HLS:
2,000 deg2,
H<26.7AB
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理論懇シンポジウム35おっしゃ Let’s 「宇宙」征服 だ！

z>15

2019/12/25

理論懇シンポジウム

36

ALMA, JWST, TMTの輝線感度Line FWHM = 100 km/s

TMT/IRIS [CIII]1907
R=4000, 50 mas

ALMA [OIII]88
R=3000, 50 mas

ALMA [OIII]88
R=3000, point-source

JWST/NIRSPEC[CIII]1907+CIII]1909
R=100, point-source

TMT/IRIS [CIII]1907 R=4000,50 mas, integrated over 1 kpc2

50 mas = 250 pc (z=7),200 pc (z=10), 150 pc (z=15)
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理論懇シンポジウム

37

ALMA, JWST, TMTの輝線感度Line FWHM = 100 km/s

M1149JD1(Lensed)

M1149JD1
TMT/IRIS[CIII]1907
progenitor
R=4000, 50 mas

ALMA [OIII]88
R=3000, 50 mas

ALMA [OIII]88
R=3000, point-source

JWST/NIRSPEC[CIII]1907+CIII]1909
R=100, point-source

TMT/IRIS [CIII]1907 R=4000,50 mas, integrated over 1 kpc2

50 mas = 250 pc (z=7),200 pc (z=10), 150 pc (z=15)
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理論懇シンポジウム

38

2018
最高赤方偏移記録の変遷(～令和２０年)
16

14
1210
B. Zhang, 2009, Nature, 461, 1221
(Courtesy of N. Tanvir.)

GRB

9.11
8.2
7.54

クェーサー
銀河

2020 2030 2040
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理論懇シンポジウム39まとめに代えてWISHのような宇宙望遠鏡ミッション実現のため、「初代銀河探査機Research Group」を宇宙研に申請しました。

2030年代の打ち上げを目指しますので、理論懇からもご支援どうぞよろしくお願いいたします。
それでは良い年末年始をお過ごしください。

2019/12/25

理論懇シンポジウム40