初代星起源の21cm線シグナル分布の見積もり及び観測データの解析手法の開発

估计源自主恒星的 21 厘米线信号的分布并开发分析观测数据的方法

• 批准号: 20J13423
• 负责人: 田中 俊行
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J13423/
• 关键词: 初代星; 21-cm線; 宇宙論; 暗黒時代; 再電離

本研究課題の本年度の研究計画は、(1)宇宙論的な21-cm線シグナルの空間分布を計算する計算コードを完成させシミュレーションを実行すること、また(2)シミュレーション結果を解析し、21-cm線観測量と初代星の性質の関係を明らかにすることである。本年度内に両計画を完遂し、その結果を国内研究会で口頭発表し、また、論文としてまとめ国際学術雑誌Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyにて発表した。具体的には、宇宙論的シミュレーションのサブグリッドスケールに対応する物理過程、(ア)電離光子脱出率のハロー質量と星質量依存性、(イ)初代星からの紫外線によるガス加熱、について、詳細な輻射流体シミュレーションの結果を取り入れることで考慮できる手法を開発した。その手法を公開されている準数値的シミュレーションコードである21cmFASTに組み込み、各物理過程が21-cm線観測量へ与える影響を調査した。そのシミュレーションデータを解析することで、星から放射が水素分子を解離にすることにより星形成可能な最小ハロー質量が時間と共に増加し、電離光子脱出率の平均値が小さくなることを明らかにした。その結果、ハローから脱出し銀河間物質の電離に寄与する電離光子が減少し、宇宙の電離度が低く推移することが示された。また、宇宙の平均電離度が約１％を超える時代には、紫外線によるガス加熱の影響が無視できないことがわかった。さらに、グローバルシグナルに加え、21-cm線シグナルの空間非一様性の情報を用いることで、星質量と星形成率密度の縮退が解けることを示した。本研究を通して、初代星が宇宙の電離に寄与する場合、宇宙論的スケールの21-cm線観測量から初代星の物理的性質を推定できる可能性があることを示した。

The research plan for this year's research project includes: (1) calculation of spatial distribution of 21-cm line stars in cosmology;(2) analysis of results of 21-cm line stars; and (3) clarification of relationships between properties of early stars measured by 21-cm line stars. This year, the project was completed and the results were presented orally at the National Research Conference. Monthly Notes of the Royal Astronomical Society were presented. Specific aspects include physical processes related to cosmology, mass dependence of ionization photon extraction rate and star mass, ultraviolet heating of initial stars, and detailed methods for obtaining the results of radiation fluid system. The method is open to the public, and the influence of the 21-cm line measurement on the physical process is investigated. The minimum mass of the ionised photon can be determined by the time the ionised photon is released. As a result, ionization of galactic matter decreases, and ionization of the universe decreases. The average ionization degree of the universe is about 1%. The influence of ultraviolet radiation on heating is ignored. In addition, the 21-cm line of space non-uniformity information, star mass and star formation rate density reduction are shown. This study shows the possibility of estimating the physical properties of the first stars by measuring the ionization of the universe and the 21-cm line of cosmology.

项目成果

Modelling population III stars for seminumerical simulations

• DOI: 10.1093/mnras/stab072
• 发表时间: 2020-11
• 期刊: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
• 影响因子: 4.8
• 作者: Toshiyuki Tanaka;K. Hasegawa

Impact of UV Heating on Cosmological 21-cm Signal

紫外线加热对 21 厘米宇宙学信号的影响

• 发表时间: 2020
• 作者: Riou Mizuno;Weeyawat Jaitrong;Piyawan Suttiprapan;Rosli Hashim;Nurul Ashikin;Katsuyuki Eguchi;Nguyen Dac Dai;Fuminori Ito;Toshiyuki Tanaka
• 通讯作者: Toshiyuki Tanaka