次世代ＱＳＯ吸収線観測による高赤方偏移での重元素の分布
東大理天文センター
小林 尚人

内容
1. 高赤方偏移ＱＳＯ吸収線系の意義
2. ５年スケールでの将来
3. １０ー２０年スケールでの将来

高赤方偏移ＱＳＯ吸収線系

Flux Density

Lyα 輝線（ｚ＝３．９１１）

水素の吸収線

金属の吸収線

Lyα Forest

MgII from DLA (z=1.18)

DLA (z=2.974)

波長高赤方偏移ＱＳＯ吸収線系の意義
１．銀河間物質の大局的化学進化
銀河系の星のアバンダンスパターンを説明できるか？
●
Type Ia 超新星型、 Type II 超新星型、 もしくは ? ？
（鉄族元素 )
(α 元素 )●

２．銀河ハローの形成過程
ハローのサイズ●
ハローガス雲の運動 （ infall と回転）●
ハローガス雲のサイズ●

高赤方偏移 (2<z<6) では銀河形成と密接に関連1. 銀河間物質の大局的化学進化金属量の進化（ DLA ）Ellison 2003

→ ゆるやかな変化しか見られない

１．銀河間物質の大局的化学進化

元素組成（ α 元素／鉄族元素の比）

元素組成の進化 （銀河系の星）Tsujimoto, private comm.

II 型超新星Ia 型超新星

金属量 → 時間（赤方偏移）→ クェーサー吸収線系で「元素組成」を求めるのが最大の目標

２．銀河ハローの形成過程
Disk

Halo の回転と Disk の回転の比較
Halo

Steidel et al. 2002

５年スケールでの将来● 可視 ( 超 ) 高分散分光 0.3-0.9um
8m クラスの望遠鏡で、 R ＞１００ , ０００が定常化 ?

● 高感度近赤外高分散分光 0.9-2.5um
８ m クラスの望遠鏡 +AO で、 R > 50,000 が定常化
Z> ５ QSO もターゲットに● 高感度電波吸収線分光 ALMA
分子線（ CO など） , 原子線（ CII など）

赤外線高分散観測の動機● 重要な金属吸収線は Z > 2.5 で近赤外線域にMgII λ λ 2796,2803,

FeII λ λ 2587,2600
NaI λ λ 5892,5897

大気透過率MnII λ λ 2576,2594,2606,

波長

５年スケールでのサイエンス （例）● 長い波長へ 0.9-2.5um

z>3 へ

豊富な金属吸収線 e.g., Mn, Zn● ＧＲＢの吸収線分光

very high-z へ

大型望遠鏡をすぐに向けられるフレキシブルさが求められる● 吸収線系の対応銀河b ＜５ kpc
high-z 銀河の most dominant population
補償光学（ AO ）による高分解能撮像● 銀河 Halo の kinematics
dark matter halo を含めた銀河進化の描像

１０ー２０年スケールでの将来● 超大口径望遠鏡 D>30m
z>6 QSO を中心とした観測
超高分散分光 （ R > ３００、０００、 Δv ＝ 1km/s ）・・・電波分光に匹敵するレベル● スペース望遠鏡 λ> 1um
近赤外 1-5.5um での一様な吸収線サンプル
ナトリウム D 線、 DIB （星間塵）の高赤方偏移吸収線 (λ>3um)

１０ー２０年スケールでのサイエンス （例）● 長い波長 0.9-2.5um で z<6 における定量化
豊富な金属吸収線の観測が定量的になり
z < 6 の最終結論● ＧＲＢの吸収線分光 very high-z へ
Ｒ＞ 100,000 による本格的な観測● 全く新しい微弱吸収線
Ba, Eu など● 物理定数の時間変化
微細構造定数（ α ）については、 Δα ／ α ~10-8 へ到達

結論● 高赤方偏移ＱＳＯ吸収線系は、宇宙論規模での時間スケールでのバリオンの化学進化を明らかにできる唯一のプローブとして際立つ● まだまだ発展中の分野● 次世代地上大型望遠鏡による高感度化、高分散化で、もっともメリットがあるサイエンスの一つ

赤外線高分散観測の動機 （ 2 ）● 8m クラスの望遠鏡により、高感度な近赤外線吸収線高分散分光が可能に●Keck NIRSPEC (1999-)
波長分解能 R~30,000 MAX (10 km/s)●

Subaru IRCS (2000-) 今はほぼ独占状態
波長分解能 R~20,000 MAX (15 km/s)
限界等級 J(1.25 µm)=16.5 mag for R=5,000●VLT CRIRES (2005-)
波長分解能 R~100,000 MAX (3 km/s)

タイムリーなテーマ

Subaru IRCS
CameraEchelleSpectrographターゲット： B1422+231● Z=3.62● 近赤外線で２番目に最も明るい high-z ＱＳＯ● 重力レンズＱＳＯ
zlense = 0.339 (Tonry 1998)
ＡA-B: 0”.5
地上近赤外だと分解可能それぞれ J~15 mag

ＢＤＣＧ

観測
● すばる共同利用

IRCS : 0”.3-slit R=10,000 (30 km/s)● 好天候 photometric, seeing ~ 0”.3→ A,B (0”.5) を分解

Ａ
Ｂ

ＤＣＧ

結果： 全体のスペクトル A+B● z=3.54 の強いMgII 吸収線を検出

結果： z=3.54 system● MgII λλ 2796,2803
S/N > 30 (per pix) の検出● FeII λ 2600
S/N > 5 検出？

→ 速度２成分が存在 //(-50 km/s, +150 km/s)

z=3.54 system の同定

Ａ
Ｂ

ＤＣ

Ｇ

● sub-Lyman Limit Systemlog N(HI) = 16.05 cm-2

Keck HIRES (A-C の観測）
Rauch, Sargent, & Barlow 1999＜議論 1 ＞ アバンダンス「銀河化学進化」の視点で➢ MgII abundance[Mg/H] ~ +0.05±0.02 (logU=-4.4, log(HI/H)=0.15)➢ FeII abundance[Fe/H] ~ +0.02±0.1→ [Mg/Fe] ~ 0 (preliminary)
Ia 型超新星による元素合成？ //● Keck HIRES の DLA での結果 「 II 型超新星が主」とは不一致 Prochaska et al.
● DLA と LLS でアバンダンスパターンが異なるのか？

< 議論 2> ハローガス雲のサイズ「銀河ハローの形成過程」の視点で● A-B に吸収の明確な違い● 柱密度の差 （ factor 2)● ピーク速度のずれ (~15 km/s)

BMgII 2803
ABA

< 議論 2> 吸収雲の空間スケール「銀河河ハローの形成過程」の視点で→ 7pc スケールの構造 z=3.54● giant molecular cloud の空間スケール● 高赤方偏移で見られるガス雲の最も小さな空間スケール

１。「小吸収雲」の場合２。「超新星シェル」の場合

まとめ： B1422+231● すばる IRCS で観測

分解能 10,000 の高 S/N スペクトルを取得● Z=3.54 の MgII/FeII 吸収線を検出● アバンダンスは [Mg/Fe]~0
Ia 型超新星によるものを示唆か？
● ７ pc の微細な空間構造を持っていることがわかった
現在、他の z の多数の弱い吸収線系を同定中

現在進行中の観測計画 （１）● MgII システムの個数密度（ dn/dz ）さまざまな吸収線の dn/dz

dn/dz ~ (1+z)γ

Low-z MgII システムの進化

現在進行中の観測計画 （１）● MgII システムの個数密度（ dn/dz ）Subaru IRCS 共同利用観測● zJ バンド （ z=2.5-2.9 に対応）
● 無バイアス２０天体を終了● ５０天体で明確な結果に（ Steidel の low-z サンプルと同じ 100 天体が目標）
PSS J1057+ 4555 z=4.116→ 2.5 < z < 3.8 の MgII システムのハローの進化を明らかに //近赤外高分散分光の将来への展望● この数年で各８ m クラスに近赤外高分散分光装置が出そろう
VLT CRIRES 2005Gemini GNIRS 2005Gemini New Instrument? 2010● Subaru でも最前線へ➢ LGSAO ＋ IRCS upgrade (2006-)
高スループットで z=6 まで観測可能に➢ IRCS に新 Silicon Immersion grating (2007-)
高分散化 R=20,000 → 60,000 でより faint な吸収線が観測可能にわれわれの将来計画
University of Tokyo NIR Echell Spectrograph● QSO 吸収線観測に最適化✔ 波長 0.9-1.7um まで (-2.5, -4.2um optional)✔ R=100,000max (Δv = 3 km/s)✔ 高効率（従来の２ー３倍）✔ 非冷却式 （製作が容易）✔ 2008- 南天の望遠鏡か？
✔ 科研費 若手 A （小林） 2004- ほか● 東大赤外線装置開発体制整備の一環
本原、酒向、宮田、小林✔ 大型赤外線アレイ読み出し開発✔ 赤外 Lab の立ち上げ

ポスドク募集中