WFIRSTとすばるで迫る	  銀河と銀河間物質の共進化	
大内 正己	  東京大学宇宙線研究所	  Proposal	  and	  Members	

• A6er	  the	  proposal	  submission,	  – SKA-­‐Japan	  EoR:	  Hasegawa,	  Ichiki	  (Nagoya),	  Takahashi	  (Kumamoto),	  Takeuchi,	  Tashiro	  (Nagoya),	  Yajima	  (Tohoku)	  • 30	  members	  from	  11	  insPtuPons,	  so	  far.	  
• Your	  parPcipaPon/contribuPon	  is	  very	  welcome!	

-­‐-­‐-­‐Our	  Discussion-­‐-­‐-­‐	  WFIRST:	  Powerful	  for	  Galaxy	  Form.	  Studies	  	• WFIRST	  is	  a	  super	  HST.	  
– Large	  area	  NIR	  imaging	  (x200+)	  • Very	  deep	  (wide	  mass	  range)	  • High	  spaPal	  res.	  (morphology)	  – Slitless	  NIR	  spec.	  w	  mid	  res.	  
• Rest-­‐opt	  neb	  lines: ﬂux	  limited	  • New	  window	  for	  GF	  studies	  HST	  4	  arcmin2	  image	  (Harrington+14)	  	• No	  similar	  data	  are	  taken	  with	  any	  other	  new	  faciliPes	  incl.	  Subaru/HSC+PFS,	  	  VLT/MOONS,	  JWST..	  	-­‐-­‐-­‐Our	  Discussion-­‐-­‐-­‐	  Important	  Data	  Missing	  in	  WFIRST/HLS	• Data	  missing	  in	  WFIRST/HLS	  (1)	  Deep	  opPcal	  broadband	  images	  (-­‐>	  LSST	  etc.)	  (2)	  Deep	  opPcal	  narrowband	  (NB)	  images	  (3)	  Deep	  opPcal	  spectra	  	  	  (2)→Subaru/HSC	  NB	  (3)→Subaru/PFS	  →	  Our	  program	  	  	  (2)	  HSC	  NB	  (3)PFS	  spec	  	  No	  other	  faciliPes	  (excpt.	  Subaru)	  can	  conduct	  similar	  coordinated	  observaPons	  w	  WFIRST/HLS	  

©Subaru	-­‐-­‐-­‐Our	  Discussion-­‐-­‐-­‐	  Important	  Science	  Missing	  in	  WFIRST/HLS	A)	  Galaxy-­‐IGM	  Co-­‐evoluPon	  at	  z<6	  	  Cantalupo+14	

Westmoquehe+14	CGM	SF→grow	Galaxy	  (ISM)	
Ouilow	

HI	  gas	

Metal	

IGM	
Metal	  enrichment→0.1%Zo	

SFR	  M*-­‐Z	  RelaPon	
Galaxy	  M*	  vs	  ISM	  Metallicity	  (HII)	

SFR	
Inﬂow	  Ouilow	

Metal	  (O/H)	

Dayal+13	
Manucci+10	

• Inﬂow	  and	  ouilow	  balance	  makes	  the	  relaPon	  (e.g.	  Dayal	  et	  al.	  2013)	

Galaxy-IGM	  RelaPon	  Studies	

Sugahara+	

Steidel+10	
•••Only	  up	  to	  CGM	  (10-­‐100kpc)	  scale.	  	  Not	  reaching	  IGM	  due	  to	  the	  small	  survey	  volumes.	  
Inﬂow/ouilow:	  Missing	  ISM	  absorpPon	  lines	  (η	  w	  morphology	  for	  moment/energy	  driven)	  →Subaru	  (rest	  UV	  spectra-­‐>	  IGM)	  +WFIRST	  (morphology,	  rest	  opt	  spectra-­‐>	  Galaxy)	

Galaxy-IGM	  RelaPon	  Studies	
HI	  Lya	  abs.	

Lee+14	

• HI	  Tomographic	  reconstrucPon	  technique	  (Lee	  et	  al.	  2014)	  • 3-­‐4	  Mpc	  spaPal	  resoluPon	  • Mapping	  out	  LA	  galaxy	  (WFIRST)-­‐HI	  IGM	  (Subaru)	  relaPon	  Galaxy-IGM	  RelaPon	  Studies	

Chiang+	

Mukae+16	

• Metal	  gas	  in	  galaxy	  spec	  stacks	  and	  QSO	  (see+	  Steidel+10)	

Why	  are	  WFIRST+Subaru	  Data	  Needed?	
• Subaru	  data	  – PFS	  spec	  -­‐>	  HI	  tomography	  (5	  Mpc	  res)	  &	  metal	  lines	  in	  IGM	  – HSC	  NB	  -­‐>	  Complementary	  HI	  Lya	  em.	  distribuPon	  in	  CGM	  • WFIRST	  – Deep	  NIR	  images	  -­‐>	  Galaxy	  M*	  &morphology	  down	  to	  dwarfs	  – Deep	  NIR	  spec	  -­‐>	  DiagnosPc	  lines	  for	  galaxy	  ISM	  (Z,q,ne	  &	  R)	  • Other	  projects?	  -­‐>	  No.	  
	  – Subaru/HSC+PFS	  SSP	  -­‐>	  No	  M*	  and	  morphology	  – WFIRST	  only	  -­‐>	  No	  HI	  tomography	  and	  metal	  lines.	  Important	  Science	  Missing	  in	  WFIRST/HLS	B)	  Galaxy-­‐IGM	  coevoluPon	  at	  z>6	  (ReionizaPon)	  b)	  ReionizaPon	

Ionized	  IGM(orange),	  neutral	  IGM(green),	  and	  Galaxies	  (blue)	

a)	  Galaxy	  formaPon	

Ly-­‐conPnuum	  photons	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  to	  ionize	  the	  universe	

Intense	  UV	  background	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  to	  suppress	  dwarf-­‐galaxy	  formaPon	  	• a)	  and	  b)	  are	  Pghtly	  related.	  

M(halo)=6e7	  Mo M(halo)=6e8	  Mo	  z_c=1.7	
z_c=7.6	
Susa	  &	  Umemura+04	

– Ionizing	  photons	  to	  ionize	  the	  universe	  – UV	  BG	  radiaPon	  in	  IGM	  to	  suppress	  galaxy	  formaPon	  via	  heaPng	Three	  Major	  QuesPons	  of	  ReionizaPon	  	1.	  What	  reionized	  the	  Universe?	  	  	  	  	  Is	  the	  standard	  scenario	  (galaxy)	  correct?	  
2.	  What	  is	  the	  start/end	  of	  reionizaPon	  (xHI	  vs	  z)?	  	  	  	  Early/late	  (Sharp/extended)	  reionizaPon?	  
→HSC	  SSP	  down	  to	  ΔQHII~10%	  up	  to	  z~7	  	  3.	  How	  did	  the	  reionizaPon	  proceed?	  	  	  	  Inside-­‐out?	  Outside-­‐in	  or	  ﬁlament	  last?	  Three	  Major	  QuesPons	  of	  ReionizaPon	  	1.	  What	  reionized	  the	  Universe?	  	  	  	  	  Is	  the	  standard	  scenario	  (galaxy)	  correct?	  
2.	  What	  is	  the	  start/end	  of	  reionizaPon	  (xHI	  vs	  z)?	  	  	  	  Early/late	  (Sharp/extended)	  reionizaPon?	  
→HSC	  SSP	  down	  to	  ΔQHII~10%	  up	  to	  z~7	  	  3.	  How	  did	  the	  reionizaPon	  proceed?	  	  	  	  Inside-­‐out?	  Outside-­‐in	  or	  ﬁlament	  last?	  What	  Reionized	  the	  Universe?	
Ishigaki+15,	  Ishigaki+ in	  prep.	

• SF	  galaxies	  could	  explain	  reionizaPon,	  but	  unknown	  fesc	  • Moreover,	  AGN	  contribuPon	  is	  unknown	  (Matsuoka-­‐san’s	  talk)	  ReionizaPon	  Process?	
21cm	

Galaxies	

Anti-correlation( ionized,intermediate,neutral)epochs	

Lidz et al. (2009)	••HSC SSP+LOFAR: 21cm-galaxy cross-power spectrum at ~3 sigma det (Lidz+09).
No constraints beyond the “detection”

Addressing	  the	  ReionizaPon	  Problems	• Subaru	  data	  – OpPcal	  NB	  images	  +	  spectra	  -­‐>	  LAEs	  at	  z=6-­‐7,	  fesc	  (z<~5)	  	  • WFIRST	  – Deep	  NIR	  data	  -­‐>	  LBGs	  and	  AGNs	  at	  z=6-­‐13	  ©	  SKA	  Telescope	• SKA-­‐Low	  Deep	  (~10-­‐100	  deg2)	  – HI	  21	  cm	  distribuPon	  →	  CombinaPon	  of	  HI	  21	  cm	  and	  (LBGs	  +	  LAEs	  +	  AGN)	  dist.	  	(Subaru+WFIRST)	  +	  SKA	• SKA	  EoR	  survey	  (SKA	  prev.	  plan;	  Hasegawa+16)	  Pritchard	– Shallow	  10,000	  deg^2	  (10hr/pt)	  – Medium	  	  1,000	  deg^2	  (100hr/pt)	  – Deep	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  100	  deg^2	  (1000hr/pt)	  Arrange	  (Subaru+WFIRST)	  +	  SKA	  survey	  (TBD)	  21	  cm	  absorpPon	  for	  WFIRST	  (Iwata,	  Ouchi,	  Hasegawa,	  Takahashi+)	  AGNs	  →	  Tomographic	  info.	
→	  Cross-­‐correlaPon	  btw.	  HI	  21,	  LAEs,	  and	  dropouts.	  	
HSC	  SSP	  (UD4deg2)	  +	  SKA1	 ~	  (Subaru+WFIRST	  100deg2)	  +	  SKA	Sobacchi	  et	  al.	  2016	Required	  Data	• Subaru	  – HSC	  imaging	  (65	  nights	  -­‐>	  ~40	  nights):	  griz,	  NB527,	  NB921	  • 60,000	  LAEs	  at	  z=3.3	  and	  6.6	  (2000	  LABs+Lya	  ﬁlaments)	  • 1	  Million	  LBGs	  at	  z	  up	  to	  6	  – PFS	  spec.	  [0.38-­‐1.26um]	  (65	  nights):	  	  • z~1-­‐4 100,000	  galaxies	  incl.	  line	  em.	  and	  bright	  passive	  gals.	  

– 300	  gals/deg2	  for	  tomographic	  reconst.	  -­‐>	  5	  h-­‐1	  Mpc	  HI	  map	  resoluPon	  – LyC	  measurements	  up	  to	  z~<5	  	  – Ouilow	  indicator	  abs	  lines	  • WFIRST/HLS	  – Imaging:	  Y,J,H,F184	  • All	  galaxies	  above	  for	  morphology	  (+M*)	  • 30,000	  LBGs	  at	  z~6-­‐13	  (incl.	  AGNs)	  – Spec	  [1.3-­‐1.8um]:	  [OII],Hb,[OIII]	  line	  (+G4300,Hd	  for	  passive)	  	  +Arrangement	  with	  SKA	  Low	  Frequency	  EoR	  Survey	  (+10%	  gals	  for	  TAO	  K-­‐band	  spec	  for	  Ha,[NI]:	  Motohara,	  Konishi+)	  Summary	• Galaxy-­‐IGM	  coevoluPon	  over	  z=2-­‐7	  (13)	  w	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Subaru/HSC,PFS	  +	  WFIRST	  (+SKA	  arrange.	  for	  z>6)	  – Galaxy-­‐IGM(HI,metal)	  connecPon	  over	  LSSs	  at	  z<6	  • HI	  Tomography	  and	  metal	  dist.	  (Subaru)	  • Morphology	  and	  stellar	  mass	  down	  to	  high-­‐z	  dwarfs	  (WFIRST)	  – Cosmic	  reionizaPon	  at	  z=6-­‐7	  (up	  to	  13)	  • LAEs	  (Subaru)	  • LBGs	  and	  AGN	  (WFIRST)	  • HI	  21cm	  (SKA)	  Cross-­‐corr.	  of	  the	  3	  samples	  to	  disPnguish	  major	  reionizaPon	  scenarios	  	  (+21cm	  absorpPon	  system	  w	  the	  AGNs	  for	  coarse	  tomographic	  info.)