高赤方偏移における宇宙の構造形成

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本年度は初期宇宙での構造形成の数値計算を行い、さらに放射輸送計算を組み合わせて、初期天体から放射される紫外光により銀河間物質が電離される過程を詳細に研究した。1.はじめに、構造形成シミュレーションに用いる初期条件を作るため、宇宙初期に放射の相互作用によりバリオン物質の密度揺らぎの成長が抑制される効果を考慮した新しい方法を提案し、従来の方法との比較を行い、新しい方法によれば時間発展させた密度場が正しく表現されることを示した(次ページ論文2)。2.次に、標準的な理論から支持されている3つの宇宙モデルを選定し、初期宇宙構造形成のシミュレーションを行った。計算結果の比較・検討により、密度揺らぎのパワースペクトルが波数の大きい側(長さスケールの小さい側)で単純べき則からずれている場合には、初期天体の出現時期が著しく遅れるために、最近の宇宙マイクロ波背景放射の偏光の観測から示唆される最電離の時期と整合しないと結論した(論文1)。ただし、物質密度の揺らぎがガウシアン統計からずれる場合には、もっとも小さい質量スケール(星団程度)の物体が出現する時期が早まるために、早期再電離を達成できるという可能性も理論モデルを用いて指摘した(論文4)。別の可能性として、宇宙初期のガス雲に生まれる星が選択的に大質量である場合には放射される紫外光の量がいちじるしく増加するために早期再電離を達成できることを放射輸送計算を行って示した(論文3)。3.一連の数値計算の結果をもとに、ビッグバン以降3億年の間の宇宙全体での星形成率を求める準解析モデルを発展させた。その結果を用いて、宇宙初期にできる金属欠乏星の多くが太陽の100倍以上の大質量を持つ場合には、その超新星爆発によって銀河間空間に撒き散らされる重元素の量がその後の星間ガス冷却の効率を著しく増加させるほど、具体的には太陽金属量の0.01パーセント以上、になりうると示した(論文5)。