遠方銀河観測の現状	

Deep	  Observa+onal	  Data	  in	  A2744	  Hubble	  Fron+er	  Fields	  [PI:	  J.	  Lotz]	  	  	  	  	  Ishigaki	  et	  al.	  (2015)	

大内 正己	  東京大学宇宙線研究所	  Review	• Recent	  obs.	  progresses	  of	  galaxies	  up	  to	  z~11	  1) Galaxy	  forma+on: SFRD,	  dust,	  morph.,	  popIII	  cand.	  	  2)	  Cosmic	  reioniza+on:	  History	  and	  reioniza+on	  sources	s	

Recent	  Progresses	  of	  High-­‐z	  Star-­‐Forming	  Galaxy	  Obs.	

Zitrin	  et	  al.	  (2015)	

• Deep	  HST	  and	  Keck	  observa+ons	  in	  opt	  and	  NIR	  	  – up	  to	  z=8.7	  (Zitrin+15)	  and	  	  – possibly	  z~11	  ?	  (Oesch+16)	  Oesch	  et	  al.	  (2016)	

Cosmic	  Star-­‐Forma+on	  History	Today	?	

••Up	  to	  z~11.	  Peaking	  at	  z~2	  (a.k.a	  cosmic	  noon)	  Decreasing	  from	  z~2	  towards	  higher	  redshib	  – Rapid	  decrease	  at	  z>8?	  More	  data	  	  -­‐>	  Disappearing.	  Smooth	  evolu+on	  Bowens+15	  (see+	  Ishigaki,MOIshigaki	  in	  prep.	 Oesch+15,	  +15,Finkelstein+15,	  Mcleaod+15)	

Progresses	  in	  IR/Submm	  Obs.	  
with	  ALMA	

Dunlop+16	
•••~50	  hour	  ALMA	  mapping	  obs.	  down	  to	  S1.3mm=35uJy	  (rms)	  in	  HUDF	  Only	  5	  sources	  w	  S/N>6	  	  Similarly,	  ASPECS	  (Aravena+16)	  and	  ALMA+HFF	  (Gonzalez-­‐lopez+16)	  iden+fy	  only	  ~10	  sources.	

Dusty	  Starbursts	  Do	  Not	  Signiﬁcantly	  Contribute	  to	  SFRDs	  at	  z>~4,	  but	  z~2	

Dunlop+16	

Ishigaki+	  in	  prep	• Dusty	  starburst	  contribu+on	  to	  SFR	  density	  (SFRD)	  – Larger	  contribu+on	  than	  op+cally	  detected	  galaxies	  at	  z~2	  – No	  signiﬁcant	  contribu+on	  at	  z>~4	  Is	  the	  Pop.	  III	  Candidate	  True?	

HeII	  emijer	
Sobral+15	
•••[OIII]	  emission	Bowler+16	

CR7:	  z=6.6	  LAE	  w	  strong	  HeII1640	  emission	  and	  no	  detec+ons	  of	  metal	  lines	  (Sobral+15)	  [OIII]5007	  iden+ﬁed	  by	  the	  IRAC	  ch1	  excess.	  CR7	  is	  neither	  popIII	  nor	  DCBH	  (Bowler+16)	  CR7	  is	  probably	  a	  type	  II	  AGN	  or	  a	  low	  metalicity	  galaxy.	  Evolu+on	  of	  Clumpy	  Galaxies	

cf.	  SFRD	  evolu+on	

Shibuya,	  MO+16	

• Evolu+on	  of	  clumpy	  galaxy	  frac.	  (Nclump/Nall)	  follows	  SFRD	  evolu+on	  • Merger??	  But	  merger	  rate	  evolves	  by	  (1+z)2-­‐3	  (Millenium/Illustris	  simu.).	  	  • Rather	  consistent	  with	  violent	  disk	  instability	  scenario	  (Keres+05,+09)	

Eﬀec+ve	  Radius	  (kpc)	

Galaxy	  Morphology	  Evolu+on	
HST	  Legacy	  Imaging	  Data	

Shibuya,	  MO,	  Harikane+15	  see	  also	  Holwerda+15, Cur+s-­‐Lake+15	

Only	  re=300-­‐400pc	  Size	  of	  MW	  GMA	• Average	  Sersic	  index	  for	  190k	  gals-­‐>	  n=1.5	  (disk-­‐ish	  proﬁle)	  Corrected	  for	  cosmological	  SB	  dimming	  eﬀects	  by	  ﬁmng	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  z=0	  	  Milky	  Way	

M82		  	  	  	  	  	  	  	  	  	  z〜10	  	  Galaxy	  (Average)	  Ono	  et	  al.	  2012	

NASA,	  ESA,	  and	  The	  Hubble	  Heritage	  Team	  (STScI/AURA)	
Illustra+on	  (Shogakukan)	

Eﬀec+ve	  Radius	

Galaxy	  Size	  Evolu+on	

Only	  re=300-­‐400pc	  Size	  of	  MW	  GMA	

Shibuya,	  MO,	  Harikane+15	  see	  also	  Holwerda+15, Cur+s-­‐Lake+15	Galaxy	  Size	  Evolu+on	
L~L*(z=3)	

Shibuya,	  MO,	  Harikane+15	• ΣSFR	  increases	  towards	  high-­‐z	  by	  ~100	  +mes	  due	  to	  the	  size	  ev.	  
• Intensive	  star-­‐forma+on	  in	  a	  small	  vol.	  -­‐>	  ISM	  change.	  

High	  Ioniza+on	  State	  of	  ISM	[OII]	LAE	Ioniza+on	  param	[OIII]	

LBG	
y	llicit
ate
M

SDSS	

Nakajima	  &	  MO	  (2014)	

• f[OIII]/f[OII]	  ra+os	  of	  z~2-­‐3	  LBGs/LAEs	  are	  ~x10-­‐100	  higher	  than	  SDSS	  galaxies	  – High	  ioniza+on	  parameter,	  Log(qion	  /cm	  s-­‐1)~	  8-­‐9.	  
– Average	  ioniza+on	  parameter	  increases	  towards	  high-­‐z.	  
– Very	  eﬃcient	  ionizing	  photon	  produc+on:	  young	  stellar	  popula+on+low	  hydrogen	  mass.	  → ISM	  ioniza+on	  state	  diﬀerent	  from	  typical	  low-­‐z	  galaxies	  	  High	  Ioniza+on	  State	  of	  ISM	Stark+15/+16	

z=7.7	

z=7.0	

Inoue+16	

z=7.0	
Nakajima	  &	  MO	  14	For	  z~7	  galaxies,	  • [OIII]88um	  detec+on	  with	  no	  [CII]	  line	  (Inoue+16)	  • CIII]1909	  and	  CIV1548	  detec+ons	  (Stark+15)	  – Very	  eﬃcient	  ionizing	  photon	  produc+on:	  young	  stellar	  popula+on	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  →	  diﬀerent	  from	  typical	  low-­‐z	  galaxies	  	  •Low	  HI	  galaxies?	  →	  Helping	  ionizing	  photon	  escape?	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  COSMIC	  REIONIZATION	Hubble	  Fron+er	  Fields	  (HFF)	

• 6	  clusters	  by	  deep	  Hubble	  ACS	  and	  WFC3-­‐IR	  imaging	  (Lotz+16)	  • Lensing	  magniﬁca+ons	  for	  faint	  galaxies	  behind	  the	  clusters.	  
• 3	  year	  program	  spending	  840	  orbits.	  Started	  from	  fall	  2013.	  

(Atek+14,15,	  Ishigaki+15,	  Oesch+15,McLeod+15,+16, Livermore+16…)	  	  • On-­‐going.	  Completed	  in	  Sep.	  Analysis	  completed	  in	  4/6	  clusters	  xxxxxxxxx	

Mass	  Models	

Kawamata+16	

100-­‐200	  mul+ple	  images	  for	  modeling	  w	  parametric	  lensing	  package	  (glaﬁc;	  Oguri+10)	

HFF	  Dropouts	  at	  z~6-­‐10	

Ishigaki+15,	  Kawamata+16	

• 127	  galaxies	  at	  z=6-­‐10	  iden+ﬁed	  by	  dropout	  tech.,18	  out	  of	  which	  have	  μ>10	  (Kawamata+16)	  UV	  Luminosity	  Func+ons	
Ishigaki,MO,	  in	  prep	

Limit	  of	  	  No	  Lensing	  Obs.	

z=7	

Model	  trunca+on	

z=8	

Mtrunc	z=9	

Yue+16	

z=10	

• aa	
No	  ﬂajening	  or	  break	  at	  the	  faint-­‐end	  LF.	  No	  sig.	  of	  feedback	  eﬀect	  down	  to	  ~-­‐14mag	  at	  z~7.	  	Evolu+on	  of	  UV	  Luminosity	  Density	

Ionizing	  photon	  emission	  rate	

3	  free	  parameters	

ρUV	Constraints	  on	  fesc	  and	  Mtrunc	
For	  the	  simple	  1-­‐zone	  ioniza+on	  model	

Consistent	  with	  QHII(z)	  Detailed	  Evolu+on??	

•••Ishigaki,MO+	  in	  prep	<fesc>~0.1-­‐0.2	  (for	  log	  <ξion>=25.4).	  Note	  the	  upper	  limit	  of	  fesc<0.3	  Mtrunc	  >~	  -­‐13	  	  Δz=3	  (-­‐1/+2)	  [for	  QHII=10%-­‐99%]	  Consistent	  w	  kSZ	  measurements	  of	  Planck2016	  If	  the	  other	  ionizing	  sources	  (excpt.	  galaxies)	  give	  negligible	  contribu+ons	  to	  ion	  phot.	  prod.	  

CHII	  fr
<fesc>

Ultra-­‐Deep	  Subaru	  NB	  Imaging	  Keck	  Spectroscopy	  for	  z=7.3	  LAEs	

Konno,	  MO	  et	  al.	  (2014)	  •••Lya	  emijer	  (LAE)	  sensi+ve	  to	  neutral	  IGM:	  Subaru	  deep	  (106	  hour	  integ.)	  large	  area	  survey	  	  At	  z=7.3,	  a	  comparable	  Lya	  lum.	  depth	  as	  previous	  lower-­‐z	  (z=3-­‐6)	  survey	  (Konno+14).	  	  However,	  only	  7	  sources…	  ~1/10	  of	  the	  expected	  number	  if	  no	  evolu+on	  from	  z=6.6.	  Accelerated	  Evolu.on	  of	  Lya	  Luminosity	  at	  z>~7	  	Lya	  Luminosity	  Func+on	  (Lya	  LF)	  Konno,	  MO	  et	  al.	  (2014)	  • Decreasing	  Lya	  LFs	  (and	  ρLya)	  from	  z=6.6	  even	  to	  7.3.	  Moreover,	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  the	  Lya	  LF	  (and	  ρLya)	  	  	  is	  accelerated	  at	  z>~7.	  
• No	  accelerated	  evol.	  of	  UV	  LFs(ρUV)	  at	  z~7	  – Likely	  by	  IGM	  scajering	  of	  Lya	  (cosmic	  reioniza+on)	  	  →the	  evolu+on	  of	  QHII	  is	  rapid	  at	  z~7	  Reioniza+on	  History	  and	  CMB	  τe	Consistent	  Results	  of	  	  QHII(z)	  and	  Ionizing	  Sources,	  τe,	  fesc,	  Mtrunc	

Accelerated	  LF	  res. 	

• QHII	  es+mates	  from	  the	  accelerated	  Lya	  evolu+on.	  	  – Prefer	  moderately	  low	  QHII	  at	  z~7.	  Late	  reioniza+on.	  
•••<fesc>~0.1-­‐0.2	  (for	  log	  <ξion>=25.4).	  Note	  the	  upper	  limit	  of	  fesc<0.3	  Mtrunc	  >~	  -­‐13	  	  Δz=3	  (-­‐1/+2)	  [for	  QHII=10%-­‐99%]	  Consistent	  w	  Planck2016	  If	  the	  other	  ionizing	  sources	  (excpt.	  galaxies)	  give	  negligible	  contribu+ons	  to	  ion	  phot.	  prod.	  ON	  GOING	  AND	  FUTURE	  SURVEYS	  IN	  3	  YEARS	Subaru	  Hyper	  Suprime-­‐Cam	  (HSC)	  Surevey	Suprime-­‐Cam	HSC	7x	c)	  HSC	  Builder’s	  blog	

• Subaru	  op+cal	  imager	  Hyper	  Suprime-­‐Cam	  (HSC)	  	  	  – Subaru/HSC	  survey	  has	  started	  since	  March	  24,	  2014	  under	  the	  collabora+on	  of	  JP/US/TW.	  	  – ~1/3	  of	  observa+ons	  are	  completed.	

(SHMR)	

HSC	  Survey	  for	  High-­‐z	  Galaxies	
z~4 mUV<27.6	

Harikane,MO+	  ApJ,	  2016	  	• SHMR	  at	  1011Mo	  decreases	  	  from	  z=0	  to	  z~4,	  and	  increases	  to	  z~7	  • At	  z>4,	  feedback	  is	  weaker	  than	  those	  previously	  thought?	

James	  Webb	  Space	  Telescope	  (JWST)	  	• New	  window	  for	  high-­‐z	  galaxies	  – Galaxy	  iden+ﬁca+ons	  up	  to	  z~20	  – Detailed	  early	  galaxy	  proper+es	  up	  to	  z~10	  (w	  oxygen	  lines)	  • Schedule	  – 2018	  Oct.	  (Launching)	  – 2019	  Apr	  (Cycle	  1	  start)	

JWST	  Probes	  for	  LAEs	
Simula+on	

Dixon	  &	  Willoj	  2014	

Schaerer2003	

••

z=9.3	

– Indicator	  of	  popIII	  (HeII/Hb)	  •JWST/Near	  Infrared	  Imager	  and	  Slitless	  Spectrograph	  (NIRISS)	  in	  guide	  camera	  WFSS	  mode:	  1-­‐2.5um,	  R~150,	  in	  ~4	  arcmin2	  – Early	  galaxies	  for	  chemical/dynamical	  evolu+on	  w	  e.g.	  [OIII]5007	  •Simula+on	  for	  MACS	  cluster	  obs	  in	  10hr	  H	  Balmer	  (Ha,	  Hb)	  lines	  at	  ~2.5-­‐5.0	  um	  Other	  nebular	  lines	  •– Iden+fying	  100	  LAEs+LBGs	  at	  z=5-­‐15	  Square	  Kilometer	  Array	  (SKA)	
•So	  far,	  no	  reion	  21	  cm	  line	  detec+ons	  (LOFAR/MWA)	  •SKA	  epoch	  of	  reion	  (EOR)	  survey	  (SKA	  pre.	  plan;	  Hasegawa+16)	  – Shallow	  10,000	  deg^2	  (10hr/pt)	  – Medium	  	  1,000	  deg^2	  (100hr/pt)	  – Deep	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  100	  deg^2	  (1000hr/pt)	  	  →	  Cross-­‐correla+on	  btw.	  HI	  21cm	  and	  Subaru	  galaxies	  SKA1: 2018	  SKA(full):	  mid	  2020s	  	SKA1+Subaru	

SKA+Subaru	

Sobacchi	  et	  al.	  2016	

Summary	• Reviewing	  recent	  progresses	  of	  high-­‐z	  galaxy	  obs.	  
– Galaxy	  forma+on	  1)	  SFRD:	  Smooth	  SFR	  density	  evolu+on	  towards	  z~10	  	  	  	  	  	  SFR	  density	  negligibly	  contributed	  by	  ALMA	  (dusty	  SB)	  sources	  at	  z>4	  2)	  popIII:	  [OIII]5007	  line	  found	  in	  PopIII	  cand.	  CR7	  is	  neither	  popIII	  nor	  DCBH	  3)	  Morph:	  More	  compact	  galaxies	  towards	  high-­‐z:	  re	  ∝	  (1+z)-­‐1.1	  	  	  	  	  Clumpy	  galaxy	  frac+on	  peaks	  at	  z~2,	  and	  decreases	  towards	  z~8	  4)	  ISM:	  High	  ΣSFR.	  ALMA	  [CII]158um	  deﬁcit	  and	  [OIII]88um.	  Keck	  CIII],	  CIV	  detect.	  	  	  	  	  	  	  	  	  Sugges+ve	  of	  high	  ioniza+on	  state.	  

– Cosmic	  reioniza+on	  	  • <fesc>~0.1-­‐0.2	  	  • No	  trunca+on	  found	  in	  LFs.	  The	  sta+cs	  also	  infers	  Mtrunc	  >	  -­‐13	  • Δz=3	  (-­‐1/+2)	  [for	  QHII=10-­‐99%]	  consistent	  w	  Planck2016	  • 	  QHII(z)	  of	  Subaru	  LAE	  suggests	  moderately	  high	  HI	  frac	  at	  z~7-­‐8	  	  	  	  	  	  	  →	  Self-­‐consistent	  picture	  of	  reion	  history	  and	  ionizing	  photons.	  

– On-­‐going	  and	  future	  surveys	  • Early	  HSC:	  M*/Mh	  ra+o	  upturn(z>~4)	  Signature	  of	  feedback	  eﬀ.	  change?	  
• JWST	  observa+ons	  for	  z>~10	  galaxies	  (launching	  in	  2018)	  • SKA1	  observa+ons	  for	  EoR	  21	  cm	  (observing	  from	  2018)