2020年代の電波天文学：
高赤方偏移天体研究の観点から
田村 陽一（東京大学 天文センター）
宇電懇シンポジウム 2015
国立天文台 三鷹
28-Jan-2015
1
High-precision 銀河形成モデルの時代
Illutris simulation (Vogelsberger et al. 2014)
・バリオンの reasonable な取り扱いが必須
・銀河は孤立系 (N体系) ではない
・宇宙論的時間・体積のなかで進化
http://www.nature.com/news/model-universe-recreates-evolution-of-the-cosmos-1.15178
2
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
3
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
New discovery space?
Spectral
coverage
Cosmological
volume & time
Wide field
6
Depth
Spectral
resolution
Angular
resolution
Polarization
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
HSC Survey Science White Paper (2012)
VIPERS Collaboration (Guzzo et al. 2014)
7
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
8
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
CO/[CII] Tomography
Fig. 3.— Blue contours show the 250GHz continuum emission from the z = 4.0 SMG GN20. Green
contours show the CO 2-1 emissio. The greyscale shows the HST i-band image (from Carilli et al.
2010).
Cloverleaf QSO at z=2.6
(Bradford et al. 2009, ApJ, 705, 112.)
CO in SMGs w/ NRO45m
(Iono et al. 2012, PASJ)
Arp 220 model
(Carilli et al. 2011, Astron. Nachrichten.)
LST 50m beam
Fig. 4.— Radio through submm spectrum of a star forming galaxy with a star formation rate 100
M! year redshifted to z = 5. Also shown are the line and continuum sensitivity for the EVLA in
12 hours, and the line sensitivity for ALMA and the existing (sub)mm interferometers.
9
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
HerMES Lockman Hole
© HerMES / ESA
10
4 deg
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
LST
LARGE SUBMILLIMETER TELESCOPE
LARGE APERTURE (D = 50 m)
WIDE FIELD OF VIEW (Φ = 0.8 deg)
LONG-SUBMM/MM FREQUENCY BAND
SURVEY-ORIENTED
(Endo et al. 2011)
11
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
LST 2 deg2 Survey
log10 (σ/Jy)
LST 50m (45 µm rms)
MKID-based spectrograph
(R=1000, Npix = 300)
PWV = 500 µm (h=4800m)
PWV = 100 µm (h=4800m)
1 Jy
5000 hr
Matched-filtered, pix. scale = 1”
(assisted by A. Endo & T. Bacx)
1 mJy
(4x1010Mo@z=2.5)
LST main band
Frequency (THz)
Cf.) ~10 yrs w/ full ALMA
0.5–2.5min to go the same depth,
15 tunings x 0.2M pointings required
12
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Light cone from the LST 2deg2 Survey
Observer (z=0)
↓
z=1
z=2
z=3
z=5
z=4
z=6
z=7
10^5 galaxies across the cosmic time
10^3 galaxies in the epoch of reionization
13
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Sub/mm version of Moore s Law
Tamura et al. (2014) ApJ, 781, L39
1,000,000
100,000
10,000
1,000
Carilli & Walter+13
100
10
1
1990 2000 2010 2020 2030
Initial detection (Year)
2040
made from Carilli & Walter+13
The law suggests ~10^5 CO emitters by 2030!?
14
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
RSD 赤方偏移空間歪み
CO/[CII] Tomography
EoR 宇宙再電離期
Galaxies 銀河進化
15
LSS 宇宙大規模構造
CSFH 宇宙星形成史
... and serendipitous discoveries
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
RSD 赤方偏移空間歪み
❖ Science goal: redshift space distortion (RSD) により
構造形成成長速度を測定し、宇宙論スケールでの重
力理論の検証をおこなう（ダークエネルギー問題）
unique redshift range が強みになって競争力を持ち
うる
❖ LST + FastSound
❖ 10,000 galaxy redshifts at z_spec ~ 2
16
0.5
ASTE-II
0.4
❖ RSD による重力理論検証は、小さい規模でも
0.3
❖ 30 deg2, 10,000 galaxy redshifts at zspec ~ 1.5
構造形成成長速度 fmσ8
❖ Subaru / FMOS 戦略枠 (40夜, 2012-14)
0.6
❖ FastSound (P.I. T. Totani)
0
0.5
1.0
Redshift
1.5
2.0
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
RSD 赤方偏移空間歪み
CO/[CII] Tomography
EoR 宇宙再電離期
Galaxies 銀河進化
17
LSS 宇宙大規模構造
CSFH 宇宙星形成史
... and serendipitous discoveries
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Tamura et al. 2009, Nature, 492, 61
Comoving distance (h-1 Mpc)
18
30
20
DH
m
s
as
mass evolution
0
←20 arcmin→
Hatsukade et al. 2012, in prep.
10
2-deg2 Survey
相関長 r0 (h-1 Mpc)
LST 50m
Comoving Y (h-1 Mpc)
2点角度相関関数 ω(θ)
LSS 宇宙大規模構造
0
1
2
3
Redshift
4
5
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
RSD 赤方偏移空間歪み
CO/[CII] Tomography
EoR 宇宙再電離期
Galaxies 銀河進化
19
LSS 宇宙大規模構造
CSFH 宇宙星形成史
... and serendipitous discoveries
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
CSFH 宇宙星形成史
Takeuchi et al. 2005, A&A, 440, L17
2005→2015
??
Burgarella et al. 2013, A&A, 554, 70
20
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
RSD 赤方偏移空間歪み
CO/[CII] Tomography
EoR 宇宙再電離期
Galaxies 銀河進化
21
LSS 宇宙大規模構造
CSFH 宇宙星形成史
... and serendipitous discoveries
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
EoR 宇宙再電離期
EoR
[CII] in z=6.42 QSO SDSS J1148
(Walter+2009, Nat., 457, 699)
Granato et al. 2000, ApJ, 542, 710
Baugh et al. 2005, MN, 356, 1191
Cowley et al. 2015, MN, 446, 1784
[CII] in z=7.084 QSO ULAS J1120+0641
(Venemans+12)
CO in z=5.298 SMG COSMOS-AzTEC3
(Riechers+2010, ApJL)
CO/[NII]/H2O in z=5.243 SMG HLSJ0918
(Combes+2012, A&A, 538, L4)
CO/[CII] in z=5.18 SMG HDF850.1
(Walter+2012, Nature)
z=6
z = 10
Updated Semi-analytic model of SMGs
(Suwa, Hirashita, YT+2009, ApSS)
22
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
EoR 宇宙再電離期
EoR
[CII] in z=6.42 QSO SDSS J1148
(Walter+2009, Nat., 457, 699)
Ouchi, YT et al. 2013
Ota et al. 2014
Inoue, YT et al. 2015 (in prep)
[CII] in z=7.084 QSO ULAS J1120+0641
(Venemans+12)
CO in z=5.298 SMG COSMOS-AzTEC3
(Riechers+2010, ApJL)
CO/[NII]/H2O in z=5.243 SMG HLSJ0918
(Combes+2012, A&A, 538, L4)
CO/[CII] in z=5.18 SMG HDF850.1
(Walter+2012, Nature)
z=6
z = 10
Updated Semi-analytic model of SMGs
(Suwa, Hirashita, YT+2009, ApSS)
23
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Sub/mm telescopes in 2020 s - 2030 s
Large-aperture single-dish telescopes
as a survey telescope
CCAT
LST
SPICA
> 100,000 galaxy sample
TMT
ALMA
“ALMA Deep Field”
ALMA + TMT
as an ultimate follow-up machine
24
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
New discovery space?
Depth
Spectral
coverage
Time
domain
Angular
resolution
Wide field
25
Spectral
resolution
Polarization
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Time
What is
astronomy?
domain
❖ Many facilities in 2020’s for transient/variable searches
❖ LSST will detect a million of transients per night.
❖ Gravitational wave (GW) telescopes (VIRGO, LIGO, KAGRA) will detect
GW sources, which require multi-messenger follow-up observations.
❖ Long duration γ-ray bursts (GRBs) trace the SF history
❖ collapse of massive stars; E(iso) ~ 10^52–10^54 erg
❖ can be observed even at a cosmological distance
❖ occur a few times per day
❖ Excellent tracer of cosmic star formation history
LSST
26
VIRGO
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Redshift record
27
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Why GRBs in sub/mm?
Galaxies
+ robust tracer
– rare and metal-poor
at higher-z
GRBs
+ can trace a single
star even in EoR
– many unknowns
~40% of Swift GRBs are
“optically-dark”
Gaseous/dusty environment?
Simply distant?
(see also Hatsukade,YT+2014, Nature, 510, 247)
← Complementary tracer →
of cosmic star formation
28
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Submm flare from reverse shocks
❖ Earliest afterglows from RS (< 4 hr) peak at ~300 GHz, and bright (~1 mJy) even
at z > 10 (Inoue+2007)
❖ similar to SMGs
❖ Bright compared to a typical galaxy at z > 5 (~10 uJy)
❖ But, short-lived...
The radio–IR emission of very high-z GRBs
-24
t=4 hr
log fν [erg s-1 cm-2 Hz-1]
mission initially peaks at lower frequenighter than the FS, typically dominating
ds for z ∼ 1 GRBs. Thereafter, it should
wn in frequency towards the radio, falling
t a few days after the burst. This RS comsistent explanation of the optical flashes
in a number of GRBs (e.g. Piran 2004;
ences therein). Note that GRB050904 at z
ght optical flash that can be interpreted as
2006).
properties of the RS emission have been
h regard to the
optical and/orSED
radio bands,
Predicted
of GRB
citly addressed the details of the spectrum
afterglow
atpeak
z =at the
1–30
d the behaviour
of the spectral
y (e.g. Nakar &
Piranafter
2004; the
McMahon,
4hr
burst
Therefore, here we employ our own forRS component, as(Inoue+2007)
detailed in Appendix
synchrotron self-absorption is accounted
ate absorption coefficient instead of the
dy limit29
approximation (e.g. Sari & Piran
1717
(a)
TESCAM (1σ, 0.5 hr, confusion limited)
VLA
-26
z=1
EVLA
ALMA B6 (1σ, 0.5
5 hr)
-28
ALMA
Spitzer
10
20
30
SKA
-30
53
2hr integ.
5σ sensitivities
-32
-24
8
10
-3
E=10 erg, n=1 cm
θj=0.1, εe=0.1, εB=0.01, p=2.2
Γ0=100, T=100 s
12
log ν [Hz]
14
16
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Flux density (mJy)
0.001 0.01 0.1
1
SMA
←
10
← 0
1T GH
H z
z
10
SMA detection of submm flare
SMA
GRB 120326A (z = 1.8)
(230 GHz)
0.7 day after the burst
ck
o
sh n)
e
s tro
r
Optical
e
o
v
r
Re nch
(sy
ck
o
h
s
rd
a
rw
o
F
X-rays
Reverse shock
(inv. self Compton)
Urata+2014
Frequency (Hz)
30
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Sub/mm GRB studies to date
Luminosity density (erg/s/Hz)
z = 8.3 GRB
Forward shock dominated
UNEXPLORED
Period where
submm flares
are expected
0.1
1.0
10
Rest-frame time since burst (days)
100
de Ugarte Postigo et al. (2012)
31
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
z = 30 GRB afterglow (1-12hr, 300GHz)
LST 50m
1.0
5 arcmin
Flux density (mJy/B)
ALMA
(mosaic)
ALMA FoV
(Band 7)
0.0
–0.1
CCAT 25m
32
ASTE 10m
Swift/BAT
error circle
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Spectroscopy
❖ Absorption lines in afterglow continuum
❖ [OI], [CII], HD, CO, HCN, HCO+, ...
❖ Redshift, metallicity, fundamental physics (α, TCMB)
(Inoue+2007)
33
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から
Summary
Mapping cosmic volume/time
- CO/[CII] tomography
Time-domain (GRBs)
- Alternative SF tracers at z > 10
Large-aperture + wide-field
single dish telescope
in the ALMA era
34
田村陽一 2020年代の電波天文学：高赤方偏移天体の観点から