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初初初初初初初初 初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初初 Hiroshi Matsuo (NAOJ) Akio Inoue (Osaka Sangyo Univ.)

初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

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初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線. Hiroshi Matsuo (NAOJ) Akio Inoue (Osaka Sangyo Univ .). 1mm. 500um. 300um. 200um. Atmospheric Windows from Atacama ( alt. 4800m ). Matsushita, Matsuo et al. PASJ (1999). THz Cosmic Window. High-z universe beyond redshift 8. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

初期宇宙における大質量星形成領域のプローブとして

の遠赤外線電離酸素輝線

Hiroshi Matsuo (NAOJ)Akio Inoue (Osaka Sangyo Univ.)

Page 2: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

200um300um500um1mmAtmospheric Windows from Atacama ( alt. 4800m )

Matsushita, Matsuo et al. PASJ (1999)2

Page 3: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

10-2210-2010-1810-1610-1410-1210-1010-810-6

109 1010 1011 1012 1013 1014 1015

Blackbody Radiation

Frequency[Hz]

REDSHIFT

2.73K

10K

30K

100K

300K

1000K

4000K

0 10 100 1000

H2O CO

CI CIINII OI NeIISiII

HI

LiH HD H2 H2

HaBra

THz Cosmic Window

3

Page 4: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

High-z universe beyond redshift 8

To probe the period of Re-Ionization.Interstellar space should be already

contaminated by heavy elements from Pop III.

High UV field prevent formation of dust, hence low extinction.

Massive stars are formed in clusters, nearby counter parts are R136 in 30Dor, LMC.

SFG and GRB can trace massive star clusters.

Page 5: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

FIR SED of Starburst galaxies

OI, OIIINII, NIIICII

Fischer et al. (1999)

Page 6: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

FIR atomic fine structure lines OI

– 63.185mm 4.745THz 5.0×105 cm-3

– 145.54mm 2.060THz 1.5×105 cm-3

OIII 35.1eV– 51.815mm 5.786THz 3.4×103 cm-3

– 88.356mm 3.393THz 5.0×102 cm-3

NII 14.5eV– 121.80mm 2.461THz 2.8×102 cm-3

– 205.30mm 1.460THz 4.5×101 cm-3

NIII 29.6eV– 57.330mm 5.229THz 3×103 cm-3

CII 11.3eV– 157.68mm 1.901THz 2.7×103 cm-3

Page 7: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Carina Nebula by ISO LWS

Mizutani, Onaka, Shibai. (2002)

[CII]

Page 8: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

The Carina NebulaA very massive star-formingregion at 2.3 kpc

from N. Smith 24’x12’ Hubble Image

[CII] 158 mm

[NII] 122 mm

[OIII] 88 mm

Matsuo et al. (2009)

Page 9: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

30Dor region andR136

[OIII] 88mm is observed widely distributed around R136Contour: MIPS 24mmKawada et al. (2011)

300 Mo stars

Page 10: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Observation with ALMA

Primordial Massive Star-Forming Region[OIII] 52um, 88um (ion potential 35 eV)

– Probe of electron density and UV radiationZ > 8 observation of SFGs and GRBsSite of Cosmic Re-ionization

Page 11: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Example of [OIII] observationsin submillimeter-wave

Ferkinhoff (2010)~ 10 -18 W/m2

Page 12: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Herschel

10 um 100 um 1 mm

[NeII] [SiIII] [OIII][OI] [OIII]

10-17

10-18

10-19

z=0.1

z=0.2

z=2

z=3

z=5

z=0.5

z=1

[CII]

z=8

Wavelength

Line

Inte

nsity

W/m

2

M82

SPICA

High-z Star-Forming Galaxies

ALMA Bands10 9 8 7 6

10-20

z=10

10-21

Page 13: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Single massive cluster– 1 ×10-5 W/m2/sr from Carina– 10 arcmin in diameter @ 50 kpc from 30 Dor

7 × 10-11 W/m2 at z=10-5 2 × 10-22 W/m2 at z=81.7 mJy for 10 km/s @ 350 GHz

angular diameter 10 milli-arcsec

[OIII] 88 mm line intensities

Page 14: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

ALMA で[OIII]88 ?

» Band 7: 339-364 GHz → [OIII]88 @ z=8.3—9.0!» 感度は十分か?

˃ [OIII]88/Hα 相関 (Kawada+11)˃ Cloudy 計算で予想フラックスを推定

2013

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6

14

ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

Kawada et al. 2011

linear

Page 15: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

[OIII]88フラックス予想

» Kawada et al. 2011˃ I_[OIII]88 / I_Hα ~ 2/3˃ Hα / Hβ ~ 3 (Case B 近似 )

» Cloudy (Ferland et al. 1998)˃ Z = 0.2 Zsun, log10(U) = -1.0, log10(n_H) = 0.0

» NOTE: nebula parameter dependence˃ Especially, metallicity

2013

/1/2

6

15

ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

𝐿[ OIII]88

𝐿Hβ≈2

Page 16: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

[OIII]88 フラックス予想

» z>8 candidates are detected only in rest-UV.» [OIII] – UV relation is required.» Let us relate Hβ with UV:

˃ SFR conversion laws (~100Myr constant SF):

2013

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6

16

ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

𝐿Hβ

𝜈UV 𝐿νUV≈0.01

𝐿Hβ=1.6×1041erg   s−1( 𝑆𝐹𝑅𝑀 sun y r−1 )

𝜈UV 𝐿𝜈UV=1.4×1043 erg  s−1( 𝑆𝐹𝑅

𝑀 sun y r−1 )For Z=1/5Zsun (Inoue 2011)

For Z=Zsun (Kennicutt 1998)

Lower Z: larger UV—SFR factorDust obscuration: smaller UV—SFR factor

Page 17: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

[OIII]88フラックス予想

» Kawada+11 obs.» Cloudy calculations

» Hβ, UV – SFR relation

» Finally, we obtain

2013

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6

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

𝐹 [OIII ]88

𝜈obs𝐹 νobs≈0.02

𝐿Hβ

𝜈UV 𝐿νUV≈0.01

𝐿[ OIII]88

𝐿Hβ≈2

𝜈obs=𝜈UV /(1+𝑧)

Page 18: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

[OIII]88フラックス予想2013

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

27.5—28.0 AB で~ 1 mJy (100 km/s)

Page 19: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Expected Brightness

Gravitational lensed sources– 25-26 mag at H160– 10 mJy Dv=100km/s– Limited redshift information

HUDF sources (Dec. -28deg)– 27-28 mag at H160– 2 mJy Dv=100km/s– Many candidates at z~8

Page 20: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Redshift probability distributions

Page 21: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線
Page 22: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Z=8.11 for [OIII] 88um

Z=8.74

Page 23: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

金属量は十分か?

» UDF12 により UV slope の測定精度が向上˃ β ~-2˃ Z ~ Zsun, no dust OR Z ~ 0.1—0.2 Zsun with Av ~ 1mag (Dunlop et al. 2013)

» 十分に酸素はあるはず

2013

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

Robertson et al. 2013

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Cycle1 ターゲット

» 赤方偏移 z>8.3 を狙うため、 Y105-J125 > 1.6を課し、 Cycle1 で観測条件の良い天体

» UDF092y-07580550 H160=27.1mag ˃ Y105-J125 > 2.4

» CANDY-2350049216 H160=27.0mag ˃ Y105-J125 > 2.3

» 残念ながら不採択˃ Too risky!

2013

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

Page 25: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

ターゲット候補

» BoRG や CANDELS にも <28AB 天体が20個ほどある

2013

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

Schenker et al. 2013

Page 26: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

ターゲット候補2013

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ALMA 時代の宇宙の構造形成理論研究会

Ellis et al. 2013

Page 27: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

High-z universe beyond redshift 8

To probe the period of Re-Ionization.Interstellar space should be already

contaminated by heavy elements from Pop III.

High UV field prevent formation of dust, hence low extinction.

Massive stars are formed in clusters, nearby counter parts are R136 in 30Dor, LMC.

SFG and GRB can trace massive star clusters.

Page 28: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

宇宙背景放射観測の現状 宇宙赤外線背景放射( CIB ) = 観測値 ー 前景放射 前景放射: 太陽系(黄道光)、銀河系(星、星間ダスト

放射) 近赤外域には銀河の重ねあわせでは説明できない超過成分

黄道光(前景放射)

系外銀河 の重ねあわせ( SUBARU, HST, Spitzer, BLAST )

背景放射CMB

第一世代の星       Ly-?

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FromS. Matsuura

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Page 30: 初期宇宙における 大質量星形成領域のプローブとしての遠赤外線電離酸素輝線

Carinae Nebula at 2.3 kpc