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21cm線を用いた宇宙暗黒時代・宇宙再電離期探査

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21cm線を用いた宇宙暗黒時代・宇宙再電離期探査

  1. 1. 2022/11/? 21cm線 ⽤ 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 宇宙 歴史・構造形成 研究 、分野外 ⼤ 学院⽣ 分 、 最先端 話 分 話 願 、「20分 欲張 ・・・」 思 頑張 。 島袋隼⼠(云南⼤学SWIFAR、名古屋⼤学) SKA-JP webinar, 2022/11/25
  2. 2. 2022/11/? 21cm線 ⽤ 宇宙暗⿊時代・ 宇宙再電離期探査 島袋隼⼠(云南⼤学SWIFAR、名古屋⼤学) SKA-JP webinar, 2022/11/25
  3. 3. 宇宙 歴史 ©NAOJ 宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代 宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM(銀河間物 質)中 ⽔素 電離 ( ). z ∼ 6 − 15 宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( ) z ∼ 20 − 30
  4. 4. 宇宙 歴史 ©NAOJ 宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代 宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM(銀河間物 質)中 ⽔素 電離 ( ). z ∼ 6 − 15 宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( ) z ∼ 20 − 30
  5. 5. 宇宙 歴史 ©NAOJ 宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代 宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM(銀河間物 質)中 ⽔素 電離 ( ). z ∼ 6 − 15 宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( ) z ∼ 20 − 30 観測 !!
  6. 6. ©NAOJ 宇宙 歴史
  7. 7. ©NAOJ 宇宙論的、天体物理学的 謎 詰 時代 ( 、 、初代星形成、 初代銀河形成、再電離 物理 ) 宇宙 歴史
  8. 8. 陽⼦ 電⼦ 21cm線放射(1.4GHz) 中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適 Singlet Triplet 21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射 遷移 Tb = TS T 1 + z (1 exp(⌧⌫)) ⇠ 27xH(1 + m) ✓ H dvr/dr + H ◆ ✓ 1 T TS ◆ ✓ 1 + z 10 0.15 ⌦mh2 ◆1/2 ✓ ⌦bh2 0.023 ◆ [mK] 輝度温度 ⾚:宇宙論 ⻘:天体物理 21cm線輝線
  9. 9. 陽⼦ 電⼦ 21cm線放射(1.4GHz) 中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適 Singlet Triplet 21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射 遷移 Tb = TS T 1 + z (1 exp(⌧⌫)) ⇠ 27xH(1 + m) ✓ H dvr/dr + H ◆ ✓ 1 T TS ◆ ✓ 1 + z 10 0.15 ⌦mh2 ◆1/2 ✓ ⌦bh2 0.023 ◆ [mK] 輝度温度 ⾚:宇宙論 ⻘:天体物理 21cm線輝線
  10. 10. 21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。 Liu & Shaw (2020) 21cm線 統計的 記述 ・・・ ⾚⽅偏移 21cm線輝線
  11. 11. 21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。 Liu & Shaw (2020) 21cm線 :全天 空間 平均 取 21cm線 21cm線 統計的 記述 ・・・ ⾚⽅偏移 21cm線輝線
  12. 12. Liu & Shaw (2020) 21cm線輝線 ⾚⽅偏移 21cm線 統計的 記述 ・・・ 21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。
  13. 13. 21cm線 h Tb(k) Tb(k 0 )i = (2⇡)3 (k + k 0 )P21 Liu & Shaw (2020) 21cm線輝線 ⾚⽅偏移 21cm線 統計的 記述 ・・・ 21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。
  14. 14. Greig & Mesinger (2016), Park + (2018) •ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース ペクトルから再電離パラメータ推定 Park et al 2018 21cm線 観測 何 分
  15. 15. Greig & Mesinger (2016), Park + (2018) •ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース ペクトルから再電離パラメータ推定 •21cm線⾼次統計量(bispectrum, higher moment) Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015) Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018), Park et al 2018 21cm線 観測 何 分
  16. 16. Greig & Mesinger (2016), Park + (2018) •ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース ペクトルから再電離パラメータ推定 •機械学習を⽤いた21cm線シグナルからの情報 抽出 Shimabukuro & Semelin (2017), Kern+(2017), Schmit + (2018) •21cm線⾼次統計量(bispectrum, higher moment) Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015) Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018), Park et al 2018 Shimabukuro & Semelin (2017) 21cm線 観測 何 分
  17. 17. Greig & Mesinger (2016), Park + (2018) •ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース ペクトルから再電離パラメータ推定 •機械学習を⽤いた21cm線シグナルからの情報 抽出 Shimabukuro & Semelin (2017), Kern+(2017), Schmit + (2018) •21cm線⾼次統計量(bispectrum, higher moment) Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015) Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018), 統計的アプローチで再電離モデルへの制限 Park et al 2018 Shimabukuro & Semelin (2017) 21cm線 観測 何 分
  18. 18. •再電離源と21cm線シグナル (e.g.) Iliev+ (2012), Kulkarni+ (2017) Kulkarni+ (2017) 21cm線 観測 何 分
  19. 19. •再電離源と21cm線シグナル •銀河形成と再電離 銀河形成・進化が再電離に 与える影響を評価 (e.g.) Iliev+ (2012), Kulkarni+ (2017) Kulkarni+ (2017) (e.g.) Hutter+ (2017,2021), DRAGONS simulation, TESAN simulation Hutter+ (2017) 銀河からの脱出光⼦ 21cm線 観測 何 分
  20. 20. 21cm線 観測 何 分
  21. 21. •ミンコフスキー汎関数(体積や表⾯積、ジーナス等) (e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011), Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019) Chen + (2019) 21cm線 観測 何 分
  22. 22. •ミンコフスキー汎関数(体積や表⾯積、ジーナス等) •Granulometry法(粒度分析、サイズ分布) (e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011), Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019) Kakiichi + (2017) Chen + (2019) 21cm線 観測 何 分
  23. 23. •ミンコフスキー汎関数(体積や表⾯積、ジーナス等) •位相幾何学的アプローチ (ベッチ数) •Granulometry法(粒度分析、サイズ分布) (e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011), Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019) (e.g.) Giri + (2021), Kapahtia + (2021) Kakiichi + (2017) Chen + (2019) Giri + (2021) 再電離期IGMの空間的(幾何学的)特徴を定量的 に評価 21cm線 観測 何 分
  24. 24. Bouman et al 2018 21cm線観測最前線 •2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当 ⾼⾚⽅偏移21cm線初観測! 、 ・・・ Singhʼs slide
  25. 25. Bouman et al 2018 21cm線観測最前線 •2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当 ⾼⾚⽅偏移21cm線初観測! 、 ・・・ • 、 検出 本当 ・・・ Singhʼs slide
  26. 26. Bouman et al 2018 21cm線観測最前線 •2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当 ⾼⾚⽅偏移21cm線初観測! 、 ・・・ • 、 検出 本当 ・・・ 1.未知 物理( 相互作⽤ 、Barkana 2018, Fialkov & Barkana 2018 ) Singhʼs slide
  27. 27. Bouman et al 2018 21cm線観測最前線 •2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当 ⾼⾚⽅偏移21cm線初観測! 、 ・・・ • 、 検出 本当 ・・・ 1.未知 物理( 相互作⽤ 、Barkana 2018, Fialkov & Barkana 2018 ) 2.未知 天体物理学(過剰 背景電波源 、Fialkov & Barkana 2019, Reis et al 2020 ) Singhʼs slide
  28. 28. 21cm線観測最前線 Singhʼs slide • 、 検出 誤 ・・・ 前景放射 差 引 系統誤差 評価 不⼗分 (Hills et al 2018, Singh & Subrahmanyan 2019) (個⼈的 考 ⽅ ⼈ 多 様 感 ) Bouman et al 2018 •2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当 ⾼⾚⽅偏移21cm線初観測! 、 ・・・
  29. 29. 21cm線観測最前線 •⼀⽅、SARAS3 EDGES 様 信号 検出 報告 (Singh et al 2022) •SARAS3 EDGES 結果 相関 、correlation ⻘ 分布 。相関 無 ⾚ 分布 ( mock data ⽣成)。観測結果 0.12(⾚ 分布 consistent)
  30. 30. 21cm線観測最前線 •⼀⽅、SARAS3 EDGES 様 信号 検出 報告 (Singh et al 2022) •SARAS3 EDGES 結果 相関 、correlation ⻘ 分布 。相関 無 ⾚ 分布 ( mock data ⽣成)。観測結果 0.12(⾚ 分布 consistent) 論争 現在 続 、決着 第三 観測 必要!!
  31. 31. MWA LOFAR HERA GMRT 21cm線観測最前線 •21cm線 観測 ⽬指 電波⼲渉計 現在、 世界中 運⽤中。 •⽇本 MWA 参加中(吉浦、⾼橋、伊東 ) •21cm線 観測 独⽴
  32. 32. 現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線 上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値 困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射 Shimabukuro et al 2022 21cm線観測最前線
  33. 33. 現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線 上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値 困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射 Shimabukuro et al 2022 21cm線観測最前線
  34. 34. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ HERA collaboration 2022b
  35. 35. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ HERA collaboration 2022b
  36. 36. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ HERA collaboration 2022c
  37. 37. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ HERA collaboration 2022c
  38. 38. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ •⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関 、 厳 制限 得 。 HERA 得 事後分布 HERA collaboration 2022c
  39. 39. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ •⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関 、 厳 制限 得 。 場合 関係 HERA 得 事後分布 •⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、 X線光度 ⾼ 。 HERA collaboration 2022c
  40. 40. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ •⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関 、 厳 制限 得 。 場合 関係 HERA 得 事後分布 •X線光度 ⾼ →⾦属量 低 。 、 初代銀河 ⾦属量 低 。 事 理論的 予想 、実際 観測的 ⽰ 意義 ⼤ 。 •⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、 X線光度 ⾼ 。 HERA collaboration 2022c
  41. 41. 21cm線観測最前線 •HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無 制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限 ⼤ 。 ・・・ 21cm線 使 天体物理学 時代 ⾜⾳ 聞 。 •⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関 、 厳 制限 得 。 場合 関係 HERA 得 事後分布 •X線光度 ⾼ →⾦属量 低 。 、 初代銀河 ⾦属量 低 。 事 理論的 予想 、実際 観測的 ⽰ 意義 ⼤ 。 •⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、 X線光度 ⾼ 。 HERA collaboration 2022c
  42. 42. 21cm線観測 未来 •2027年 ⼤型電波⼲渉計SKA 本格的 観測 開始予定。
  43. 43. •現在、観測 ⾏ 望遠鏡 、21cm線 統計的検出 ⽬指 、SKA 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 21cm線 (空間分布) 観測 可能 。 21cm線観測 未来 包 宇宙 歴史 「写真撮影」 !
  44. 44. FARSIDE Lunar Crater Telescope “We choose to go to the moon” -J.F. Kennedy(1962) ⽉ ・・・ 鸿蒙计划 •2030年代、2040年代 電波天⽂学 ⽉⾯望遠鏡、⽉軌道 衛星 ⽤ 「Lunar Radio Astronomy」 時代 ? •⽉ 、低周波電波観測 邪魔 電離層 RFI 影響 抑 。 • ⼈類 ⽉ ⽬指 、 実現 。⼈類(天⽂ 学者) 再 ⽉ ⽬ 向 。
  45. 45. 頭 ⽚隅 ⼊ • 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 宇宙 歴史 中 包 • 21cm線 使 、 時代 理解 • 既 21cm線検出 向 観測 始 、 将来観 測SKA計画 動 。 • 将来 ⽉ 舞台 低周波電波天⽂学 計画 • 21cm線 ⽤ 電波宇宙論 夢 詰 。

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