深宇宙探査の進展	  銀河形成初期と宇宙再電離	大内 正己	  	  東京大学	  	  宇宙線研究所/数物連携	  Outline	z	  of	  spectroscopically	  conﬁrmed	  objects	
•Recent	  (2009-­‐2011)	  progresses	  of	  ultra-­‐deep	  surveys	  (z~3-­‐7	  and	  beyond,	  i.e.	  redshiL	  fronMer)	  –for	  understanding	  galaxy	  formaMon	  and	  reionizaMon	  	  	• Galaxies	  studies	  at	  z~0-­‐3	  	  •Epoch	  of	  First	  generaMon+very	  young	  galaxies	  accessed	  with	  TMT,	  JWST	  etc.	  	  Epoch	  of	  reionizaMon	  (EoR)	  accessed	  with	  Subaru,	  HST,	  Keck,	  ALMA	  etc.	  	  	  ALMA	  cycle	  0	  observaMon	  for	  galaxy	  formaMon.	  Overview.	  

Data	  by	  Tanvir+Jacobsson07	  updated	  by	  Yamazaki	Galaxies	  at	  the	  RedshiL	  FronMer	  (z>~7)	  1) Dropout	  galaxies	  (or	  LBGs)	  	  idenMﬁed	  with	  a	  UV	  conMnuum	  break	

RedshiL	  2)	  	  	  Lya	  Emibers	  (LAEs)	  	  idenMﬁed	  with	  a	  strong	  Lya	  line	RedshiL	  Lyα	  Broad+Narrow	  bands	

Broad	  bands	

NB921	

Stanway	  et	  al.	  (2005)	  UV	  ConMnuum-­‐bright	  SF	  galaxies	  (e.g.	  Bouwens+06,	  Bunker+06,	  Yan+04,	  McLure+09,	  Lehnert+03,	  Ouchi+04)	

Kodaira	  et	  al.	  (2003)	  Lya-­‐bright	  SF	  galaxies	  (e.g.	  Hu+06,	  Malhotra+04,	  Kashikawa+06)	  	Dropouts	  and	  LAEs	  (Comparison	  at	  z~3)	  SFR/M*	

z=3	

LAEs:	  Ono+10a,	  Finkelstein+09,	  Pirzkal+07,	  Lai+07,	  Gawiser+06	  	  LBGs:	  Shapley+03,	  Papovich+01,	  Iwata+05	  	  DRGs:	  van	  Dokkum+05	  	  	  SMGs:	  Borys+05,	  Chapman+05	

Ono,	  MO	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  et	  al.	  (2010a)•••

Typical	  LAEs	  are	  the	  least	  massive	  populaMon	  among	  high-­‐z	  galaxies.	  High-­‐z	  dwarf?	  
Typical	  dropouts	  have	  the	  second	  least	  stellar	  mass.	  	  Dropouts+LAEs	  (found	  in	  relaMvely	  early	  history	  of	  universe)	  are	  likely	  galaxies	  at	  the	  early	  phase	  of	  galaxy	  formaMon.	  Galaxies	  at	  z~7	  and	  Beyond	  Breakthroughs	  since	  2009	
Red	  sensi8ve	  Fully-­‐depleted	  CCDs	  for	  Subaru/Suprime-­‐Cam	

HST/WFC3	  installaMon	

VLT/HAWK-­‐I	

132	  z=7-­‐8	  dropouts	  (e.g.	  Bouwens
4	  z-­‐dropouts	  in	  Hickey+10	  +11,Oesch+10,McLure+10,Bunker(Castellano+10	  )	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  +10,Finkelstein+10)	  (z	  and	  y	  dropouts)	   (26mag,120	  arcmin2)	
(29mag,14arcmin2+27.5mag,40arcmin2)	 	

Deep	

22	  z-­‐dropouts	  in	  Ouchi+09	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (26mag,1600	  arcmin2)	

Wide	Galaxies	  at	  z~7	  and	  Beyond	  Breakthroughs	  since	  2009	
Red	  sensi8ve	  fully-­‐depleted	  CCDs	  for	  Subaru/Suprime-­‐Cam	

HST/WFC3	  installaMon	

VLT/HAWK-­‐I	300	  z~7	  Lya	  emiber(Ouchi+10,	  15	  z=7	  dropouts	  in	  132	  z=7-­‐8	  dropouts	  (e.g.	  Bouwens
Castellano+10ab,Hickey Hu+10,	  Kashikawa+11;	  +11,Oesch+10,McLure+10,Bunker
2+10	  	  	  (26mag,161	  arcmin2)	
~8000arcmin )	
+10,Finkelstein+10)	  (z	  and	  y	  dropouts)	  22	  z=7	  dropouts	  in	  Ouchi+09	  	(29mag,14arcmin2+27.5mag,40arcmin2)	
(26mag,1600	  arcmin2)	  	  	  	  Deep	Wide	RESULTS	

Galaxy	  Size	  EvoluMon	  up	  to	  z~7	
r1/2~∝	  H(z)-­‐2/3	  	z~7	  z-­‐dropouts	  in	  J	  band	  (2”x2”cutouts)		  Oesch+10	

• Half-­‐light	  radius,r1/2,follows	  r1/2~∝	  H(z)-­‐2/3	  at	  a	  given	  L.→	  nearly	  constant	  dark	  halo	  mass	  evoluMon.	  
– What	  is	  the	  halo	  mass	  evoluMon	  ?	  Dark Halo Mass from Clustering

Ouchi et al. (2010)••••

Clustering	  measurements	  up	  to	  z=6.6.	  	  Galaxy	  clustering→hosMng	  halo	  clustering	  (1:1	  correspondence	  between	  galaxies	  and	  halos).	  	  HosMng	  halo	  mass	  is	  ~1011±1	  Mo	  for	  LAEs	  (dropouts;	  ~1012±1Mo;e.g.	  Ouchi+04,	  Lee+06/09,Hildebrandt+10)	  The	  halo	  mass	  of	  LAEs	  (LBGs)	  stays	  at	  ~1011±1	  Mo	  (1012±1Mo)	  over	  z=2-­‐7.	  Some	  halos	  with	  1011±1	  (1012±1Mo)	  become	  LAEs	  (dropouts),	  and	  evolve	  into	  more	  massive	  systems	  later.	  Extremely	  Blue	  (=Metal	  Poor)	  Galaxies	  at	  z~7?	

Bouwens+10	

UV	  (~1300-­‐2500A)	  slope	  index	  ,	  fλ∝λβ	  Towards	  high-­‐z,	  UV	  conMnuum	  color	  become	  very	  blue.	  Faint	  z~7	  dropouts	  have	  β~-­‐3	  .	  IndicaMve	  of	  dust-­‐free	  metal-­‐poor	  galaxies??	  (Bouwens+10)	  • More	  recent	  studies	  including	  Bouwens+11	  (+	  e.g.	  Dunlop+11,Finkelstein+11)	  show	  β~-­‐2.5	  based	  on	  careful	  mulM-­‐color	  analysis.→	  Not	  popIII,	  but	  sMll	  quite	  blue.	  
••FinLya	  Luminosity	  FuncMon	  UV	  Luminosity	  FuncMon	  Dropouts	  Dropouts	  Ouchi	  et	  al.	  (2008)	

••••Lya	  LF	  of	  LAEs	  does	  not	  evolve	  (UV	  LF	  of	  LAEs	  increases)	  UV	  LF	  of	  dropouts	  decreases	  (e.g.	  Bouwens+06,	  Ouchi+04)	  FracMon	  of	  Lya	  emiung	  sources	  increase	  towards	  z~6.	  
Lya	  Emiung	  populaMon	  dominates	  at	  z~6.	  (Ouchi+08)	

Recent	  Independent	  Spectroscopy	  	Lya	  Emiung	  Galaxy	  FracMon	  (XLya)	

UV	  Faint	  (Muv~-­‐19.5)	

Galaxies	  towards	  high-­‐z:	  more	  compact,	  bluer,	  and	  more	  chance	  of	  Lya	  emission	  w(Muv~-­‐21)		  ~const	  MDH	  UV	  Bright	  Stark,	  Ellis,	  MO	  (2011)	

••The	  increasing	  tendency	  of	  Lya	  emiung	  galaxy	  facMon	  is	  also	  found	  in	  Keck	  spectroscopy	  for	  z=4-­‐6	  dropout	  galaxies	  (see	  also	  CurMs-­‐Lake+11)	  Faint	  galaxies	  show	  a	  higher	  fracMon	  of	  Lya	  emiung	  galaxies	  (e.g.	  Ando+06,	  Ouchi+08).	  Lehnert’s	  z=8.6	  Y-­‐dropout?	  	
A.	  Bunker’s	  slide	  at	  New	  Horizons,	  IoA	  Cambridge,	  July	  2011	VLT/X-­‐Shooter	
Lehnert	  et	  al.	  (2010)	
z=8.6	  Lya	
Real	  spectrum	

SimulaMon	  spectrum	  w	  expected	  ﬂux	  	• A.	  Bunker’s	  results	  do	  not	  support	  z=8.6…	

Spectroscopic	  IdenMﬁcaMon	  of	  our	  	  	  	  	  	  	  z-­‐dropout	  Galaxies	  at	  z=6.844-­‐7.213	  	Spring	  2010	
Spring	  2011	
Spring	  2011	

•Ono,	  MO	  et	  al.	  (2011)	

Firm	  idenMﬁcaMon	  of	  z=7.213	  galaxy.	  The	  spectra	  are	  taken	  with	  Keck/DEIMOS	  in	  two	  independent	  observing	  runs	  with	  diﬀerent	  graMngs	  and	  masks.	  If	  Lehnert+10’s	  object	  is	  not	  true,	  the	  most	  distant	  galaxy	  among	  the	  spectroscopically	  conﬁrmed	  galaxies	  (cf.	  Vanzella+10,Pentericci+10,Schenker+10).	

REIONIZATION	UV	  Luminosity	  FuncMon	  at	  z=7	  Ouchi	  et	  al.	  (2009b,	  ApJ,	  706,	  1139)•Decrease	  of	  UV	  LF	  (>95%CL)	  from	  z=6	  to	  7	  (see	  also	  Castellano+09,	  Mannucci+07,Oesch+10,	  McLure+10,	  Bunker+10,Bouwens+10)	  	  Dropping	  Cosmic	  SFR	  towards	  high-­‐z	Cosmic	  SFR	  density	  (Madau	  plot)	

Ionizing	  photon	  emission	  density	

fesc=0.05	
Bouwens+10	

Ouchi+09b• Cosmic	  SFR	  density	  (from	  UV	  luminosity)	  drops	  from	  the	  peak	  at	  z	  =	  2-­‐3	  to	  z~	  7	  by	  a	  factor	  of	  ~10-­‐100	  (e.g.	  Ouchi+09,	  Bunker+10).	  

– Less	  star-­‐formaMon	  rates	  towards	  high-­‐z→	  Less	  ionizing	  photons	  – Assuming	  the	  SF	  properMes	  similar	  to	  low-­‐z	  (stellar	  pop.	  and	  fesc=0.05),	  ionizing	  photons	  are	  only	  <30%	  of	  those	  required	  for	  reionizaMon	  at	  z~7	  – Too	  few.	  Because	  >80%	  of	  IGM	  is	  reionized	  at	  this	  redshiL.→missing	  ionizing	  photons?	  Missing	  Ionizing	  Photons?	  
Another	  Piece	  of	  Evidence	

Robertson+10		  	  Missing	  Ionizing	  Photons	  (from	  Galaxies)?	  

>~80%	  of	  IGM	  is	  ionized,	  while	  ionizing	  photons	  are	  only	  <~30%	  for	  reionizaMon	  at	  z~7.	  Why?	  
•	  •The	  other	  sources	  of	  reionizaMon?	  
– AGN?	  But	  only	  a	  few	  %	  of	  ionizing	  photons	  at	  z~6	  (e.g.	  Srbinovsky	  &	  Wyithe+07)	  – What	  else?	  Primordial	  black	  hole??	  Dark	  maber	  annihilaMon???	  (Ricou	  &	  Ostriker+04)	  UncertainMes	  of	  ionizing	  photon	  emission	  rate	  (dNion/dt/dV)	  esMmates	  	  dNion/dt/dV	  ∝	  〈C〉	  x	  〈fesc	  〉	  x	  SFRD	  	  	  	  	  (as	  a	  funcMon	  of	  redshiL)	  – SFRD:	  SFR	  density	  – 〈fesc	  〉	  :Escape	  fracMon	  of	  ionizing	  photons	  from	  galaxies.	  F(esc)/F(int)at~900A(fesc=0.05)	  – 〈C〉:	  	  Shape	  of	  intrinsic	  UV	  conMnuum,F900/F1500.	  (depending	  on	  stellar	  pop)	  → Changing	  properMes	  of	  star-­‐forming	  galaxies;	  		Increase	  of	  fesc	  	  (fesc>0.2;	  Ouchi+09b)?	  	  	  IMF/metallicity	  evoluMon	  (SMavelli+04,	  Bouwens+10)?	  	  	  Unexpectedly	  large	  pop.	  of	  faint	  galaxies	  (below	  obs.	  limits)	  boosMng	  SFRD	  (Stark+07)?			  	  Madau	  plot	  from	  GRB	  Rates	

Robertson+11	•••Long	  duraMon	  GRB→deaths	  of	  massive	  stars	  GRB-­‐rate	  SFR	  is	  beyond	  the	  UV-­‐based	  SFR?	  (The	  UV	  SFR	  is	  underesMmated?)	  If	  so,	  τe	  can	  be	  explained.	  
On	  the	  other	  hand,	  the	  stellar	  mass	  evoluMon	  cannot	  be	  explained	  by	  GRB-­‐SFR.	  Top-­‐heavy	  IMF?	  Lya	  Emiung	  Galaxy	  FracMon	  	  Based	  on	  43	  z~7	  dropout	  spectra	Ono,	  MO	  et	  al.	  (2011)	

Bright	  sample	  (Muv~-­‐21)	

•••Faint	  sample	  (Muv~-­‐19.5)	

The	  fracMon	  of	  Lya	  emiung	  galaxies	  is	  low,	  ~20%,	  at	  z~7	  →	  Signature	  of	  reionizaMon?	  (see	  also	  Schenker+11	  and	  Pentericci+11)	  The	  amplitude	  of	  drop	  is	  indicaMve	  of	  IGM’s	  neutral	  hydrogen	  absorpMon	  at	  the	  reionizaMon	  epoch.	  
This	  conclusion	  does	  not	  depend	  on	  galaxy	  L*	  and	  φ*	  evoluMon	  eﬀects	  (cf.	  Lya	  LF	  evoluMon).	  Comparisons	  of	  Recent	  Results	  	WMAP7	

XLya	

Choudhury+08	  models	  Mh(lim)~109Mo	  Mh(lim)~108Mo	  Mh(lim)~106Mo	

Lya	  LF	QSO	QSO(ULAS)	  Linear	  Plot	

Log	  Plot	 Ouchi et al. (2010)+latest results••••

This	  drop	  of	  XLya	  corresponds	  to	  xHI~0.4-­‐0.6	  based	  on	  RT	  and	  MC	  simulaMons	  (Ono+11,Schenker+11,Pentericci+11).	  
QSO	  ionized	  near-­‐zone→	  xHI>0.1	  at	  z=7.1	  (Mortlock+11).	  
Constraints	  from	  LAEs,	  dropouts	  and	  QSO	  are	  consistent	  within	  the	  1-­‐2	  sigma	  errors,	  but	  largely	  scabered.	  
Large	  uncertainMes	  that	  cannot	  disMnguish	  sharp	  and	  extended	  reionizaMon→Subaru	  HyperSuprime-­‐Cam	  +PFS	  GALAXIES	  AT	  Z~0-­‐3	Fundamental-­‐MZ	  (FMZ)	  RelaMon	

z=2	•••

z=0	  (SDSS)	  Mannucci	  et	  al.	  (2011)	

Nakajima,	  MO	  et	  al.	  (2011)	

Low	  SFR	  galaxies	  (LAEs)	  do	  not	  follow	  the	  mass-­‐metallicity	  (MZ)	  relaMon?	  
Higher	  metallicity	  over	  the	  simple	  MZ	  relaMon	  at	  z~2	  of	  Erb	  et	  al.	  (2006).	  
Fundamental-­‐MZ	  relaMon	  (Mannucci+10,	  Lala-­‐Lopez+10,	  Richard+11)	  at	  any	  redshiL	  (z<~2).	  
– Ou‚low:	  Massive	  galaxies	  with	  a	  large	  potenMal	  well	  prevent	  ou‚low→	  metal	  rich	  (M-­‐Z	  relaMon)	  – Inﬂow:	  Higher	  SFR	  galaxies	  are	  fueled	  by	  the	  metal-­‐poor	  infalling	  gas→	  metal	  poor	  (SFR-­‐Z	  relaMon)	  ••LAE’s	  metallicity	  follows	  the	  FMZ	  relaMon.	  FMZ	  does	  not	  evolve	  at	  least	  up	  to	  z<~2.5.	  
EvoluMon	  of	  MZ	  relaMon	  at	  z=2	  (Erb+06)??	  →No.	  Just	  sampling	  a	  high	  SFR	  galaxy’s	  MZ	  relaMon.	  Testing Cold Accretion by Observations	
IS metal absorption (cold gas)	

vsys from Hα	

Lya line (hot gas)	

Steidel+10	•••••Faucher-Giguere+10	

Violent SF at z>2, but mostly no merger signatures
Galaxies acquired most of baryon (~70%!) at z~2-3 via cold accretion (Katz+03, Keres+09, Dekel+09) ? For massive galaxies, more dominant mass build-up mechanism than mergers??
Is this true? Any observational signatures?
No signature of cold gas accretion, but outflow based on 89 LBGs at z~2, (Steidel et al. 2010).
But, consistent with cold accretion models, because a covering factor of cold accretion gas is verysmall ~1-2%(Faucher-Giguere+10), and a signal can be obtained when a cold filament is exactlyaligned with the line of sight, Kimm+10).

	  ALMA	  Cycle	  0	  ObservaMons	  Since	  Sep.	  30	• Early	  ALMA	  w	  16	  antennae	  (out	  of	  64+16	  antennae)	  since	  Sep.	  30	  – 112/919	  proposals	  Accepted	  proposals	  for	  high-­‐z	  galaxy	  studies:	  • z~5-­‐7	  submm	  galaxies,	  Lya	  blobs,	  and	  LAEs	  • z~1-­‐2	  mass-­‐selected	  galaxies,	  lensed	  galaxies,	  GRB/QSO	  host,	  Herschel/SPT	  souces,	  	  – [CII]158um,	  CO,	  cold	  dust	  conMnuum	  (~1mm)	  Summary	•

Recent	  (2009-­‐2011)	  progresses	  of	  ultra-­‐deep	  surveys	  for	  understanding	  galaxy	  formaMon	  and	  reionizaMon	  •Galaxies	  at	  the	  redshiL	  fronMer	  ––––•

z~7-­‐9	  galaxies	  with	  new	  instruments	  of	  HST,	  Subaru,	  VLT	  etc	  Galaxies	  are	  more	  compact	  and	  bluer	  at	  higher-­‐z,	  while	  dark	  halo	  mass	  does	  not	  change	  much	  More	  Lya	  emission	  fracMon	  up	  to	  z~6	  Currently,	  the	  galaxies	  conﬁrmed	  to	  date	  is	  maybe	  up	  to	  z=7.2	  (not	  z=8.6?)	  ReionizaMon	  – Smaller	  SFR	  densiMes	  towards	  z>6	  make	  a	  problem	  of	  missing	  ionizing	  photons.	  
– Constraints	  on	  reionizaMon	  history,	  to	  date,	  are	  very	  limited.	  

•Galaxies	  at	  z~0-­‐3	  •ALMA	  cycle	  0	  observaMon	  for	  galaxy	  formaMon.	  Overview	  – Fundamental	  mass-­‐metallicity	  (FMZ)	  relaMon	  – Cold	  accreMon	  tests	  by	  observaMons	  – Red	  compact	  galaxies	  z~2