銀河からの電離光子の直接検出
岩田 生1, 井上 昭雄2, 松田 有一1, 古澤 久徳1,林野 友紀3, 香西克樹3, 秋山 正幸3, 山田 亨3,
D. Burgarella4, J.-M. Deharveng4
1: 国立天文台 2: 大阪産業大 3: 東北大 4: LAM, France

arXiv:0805.4012 (ApJ submitted)

銀河からの電離光子• 星形成に伴う電離光子 (λ<912Å) の放射• 宇宙再電離において主要な役割を果たしたと考えられる

観測されたUV光度関数
z=4z=6z=7

Non-ionizing UV radiaion

Bouwens+08

電離光子の観測• 電離光子脱出率:
fesc ≡ (銀河から脱出する光子数) / (生産される電離光子数)• 観測の困難さから、電離光子脱出率はほとんど分かっていない

電離光子の観測• 電離光子は銀河内および銀河間空間の中性水素(Ly-α Clouds) により容易に吸収される

Fobs = Fint x fesc x e-τ(IGM)• Local Universe:• Leitherer+1995, Deharveng+2001,Bergvall+2006• High-z (z≥1):• Steidel+2001, Malkan+2001, Giallongo+2002, Inoue+2005, Shapley+2006, Siana+2007

Steidel+2001: A First Report

29 LBGs composite
15 QSOs composite

Shapley+ 2006
Detected ionizing
radiation from two z~3
LBGs (L>L*), among 14
spectroscopicallyobserved.
Average escapefraction was suggested
to be less than 10%••電離光子脱出率への観測からの制限• High-zで直接検出が報告されているのはわずか二例• 知りたいこと:• 平均的な電離光子脱出率 (宇宙再電離への寄与を推定するのに必須)• どのような銀河が高い電離光子脱出率を持つのか?
• いかにして電離光子は脱出するのか?
• 銀河内でのISMと大質量星の分布、 Viewing Angle

Our Past Trials• VLT/FORS:• z~3 @ HDF-S (Inoue,VLT (電離光子)

HST(非電離紫外線)

HDFS 85

Iwata et al. 2005)• z~3 for Ly-α Emitters(On-going)•HDFS 1825

Narrow FoV (46 arcmin2)• Trial using LAEs (on-going)

Inoue+ 2005

Narrow-Band Imagingによる電離光子探査• 利点:• スリットによるロスがない: 高いS/Nを期待できる• UV光から空間的にオフセットした電離光子を捉えることができる• 欠点:• 特定の赤方偏移の銀河しか測定できない

A New Trial with Subaru• Special NB Filter for Suprime-Cam• z=3.09 Proto-Cluster @ SSA22• 800 LAEs, 100 LBGs
• To find typical escape fraction at z~3• Relations between escape fraction and otherproperties (size, SFR, amount of dust, stellar
mass etc.)• Inoue, Iwata, Hayashino, Matsuda, Deharveng, Burgarella,Yamada, Akiyama, Furusawa, Yamauchi, Nakamura
NB359 Filter

SSA22: Proto-Cluster at z=3.09• Originally Discoveredby Steidel et al.

• Includes gigantic “ Ly-αBlobs”• Further Exploration
Original SSA22a Fieldby Steidel+with Subaru: Matsuda,Hayashino, Yamada+Lyman !

Lyman Limit

z=3.09no IGM

w/IGM

NB359

NB497

VRi’Why z~3?

• IGM Opacity Rapidly Increaseat z>4• Ionizing Radiation are

Almost Invisible from Us• Large Variation for Different
Sightlines:• Ionizing Photons would be

Detectable for Some Cases
at z~4

Redshift Dependence of
Ly-Cont Transmission,from Monte-Carlo Simulations(Inoue & Iwata 2008)

LyCont Observation for SSA22• Subaru Telescope / Suprime-Cam withNB359 filter• On-source exposure time: ~23 hours• Excellent seeing (0.6-0.8” at 359nm)• 分光同定された198個の銀河のうち、• 7 LBGs, 10 LAEsから電離光子を検出

(fLC/fUV)(UV slope)(fLC/fUV)(UV slope)

(UV slope)

Salpeter IMFだとLBGの色が説明できない(fLC/fUV)Escape Fraction

Escape Fraction• For 7 LBGs, average (f /f )obs=4.6• If we assume (f /f )int=3.0 and no IGM
UV LC

UV LC

attenuation, fesc,rel = 0.65 : lower limit offesc,rel• E(B-V)=0.15 → fesc = 0.16
Uncertainties:
IGM opacity: if we take median, fesc=0.28•• (f /f )int: if 1.07, fesc,rel=0.23 and fesc=0.06
UV LC

UV-to-LC flux ratios of LBGS at z~3fUV/fLC

Steidel+01 Shapley+06 Shapley+06

Iwata+08

29 average

2 direct

14 average

7 direct

17.7

12.7, 7.5

58

4.6

Composite Image
NB359,
all 471 galaxies
at 3.06<z<3.2• (f /f )obs=8.8• If (f /f )int=3.0 and average IGM

Preliminary

R-band

UV LC

UV LC

attenuation at z=3 (Inoue and Iwata, 2008)
are assumed, fesc,rel=0.60

Composite Image
NB359,
413 galaxies(w/o individualdetections)

Preliminary

NB359,
all 471 galaxies
at 3.06<z<3.2• If we exclude >3σ detections, composite of413 galaxies is only ~1σ level• 3σ upperlimit of fesc,rel=0.28

obs
the observed LyC flux density FLyC
for the photoelectric
absorption by the neutral hydrogen remained in the IGM:

(2)
Evolution of Escape Fraction?

IGM
escobs τLyC
FLyC = FLyC e.

int
We may estimate FLyC from the observed UV flux densityobs
FUV as follows:
ISMobs τUV

int
FLyC = Rint FUV e,

average ofS06
471 galaxies

(3)

int
int
where Rint = FLyC
/FUV
is the intrinsic LyC-to-UV flux denISM
sity ratio and τUVis the UV dust opacity in the interstellar
medium of a galaxy. Therefore, we have
ISM
Resc −τUVe,
fesc =Rint(4)

andobsFLyC τ IGM
Resc = obs e LyC .
FUV

(5)

Inoue, Deharveng, Iwata 06

Summary• Suprime-Cam + NB Filterにより7 LBGs, 10 LAE
candidatesからの電離光子の直接検出に成功• 特にLBGでは電離光子はUV peakから離れたところから放射されている• 7 LBGsの平均としてfesc,rel=0.65, fesc=16%• (L /L )int=3.0, IGM吸収なしの場合• 471 Composite: fesc,rel=0.60• 平均的IGM吸収を仮定した場合
UVLC

One More Thing ...

WISH: 超広視野 遠方宇宙探査計画
Wide-ﬁeld Imaging Surveyor for High-z
岩田 生1, 山田 亨2, 常田 佐久1 ほか
超広視野近赤外スペースミッション検討グループ(1: 国立天文台 2:東北大)WISH: Wide-field Imaging
Surveyor for High-z• 口径1.5m級望遠鏡• 1-5μmで地上から到達不能な深さ• SPICAと相補的な波長域• 100平方度のサーベイ• 現在 宇宙理学委員会へのWG設置提案
準備中

WISH: Wide-field Imaging
Surveyor for High-z• 最遠方銀河の発見 (z=7-14)• 宇宙再電離過程の理解• 銀河の星質量集積過程の理解• SN Iaによる宇宙論パラメータ探査

28AB

Sample Feeder for TMT

検討グループメンバー• 山田 亨:PI (東北大)• 岩田 生, 常田 佐久, 児玉 忠恭, 諸隈 智貴, 小宮山 裕 (国立天文台)• 松原 英雄, 和田 武彦, 大藪 進喜 (宇宙研)• 河合 誠之 (東工大)• 太田 耕司, 矢部 清人 (京大)• 土居 守, 安田 直樹, 内一・勝野 由夏 (東大)• 後藤 友嗣(ハワイ大)contact: yamada@astr.tohoku.ac.jp or iwata@oao.nao.ac.jp