高精度原始銀河団シミュレーションによる銀河形成と宇宙再電離研究の新展開

• Project/Area Number: 21H04489
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 矢島 秀伸 筑波大学, 計算科学研究センター, 准教授 (10756357)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 有一 国立天文台, アルマプロジェクト, 助教 (20647268) ; 井上 昭雄 早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (30411424) ; 児玉 忠恭 東北大学, 理学研究科, 教授 (80343101)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2025: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2024: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000); Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
• Keywords: 銀河形成 / 数値シミュレーション / 銀河団 / ダスト / 輻射輸送 / ブラックホール

Outline of Research at the Start

初期宇宙の銀河の密集領域は原始銀河団と呼ばれ、宇宙の超高密度領域に形成される。本研究では、大規模かつ高精度な宇宙論的流体シミュレーションによって、原始銀河団領域の銀河の形成 、進化、及び関連する物理メカニズムを明らかにする。特に、原始銀河団が形成され成熟していくまでの時代を3つに分け、(1)原始銀河団による宇宙再電離の始まり(赤方偏移6-10)、(2)爆発的星形成現象(赤方偏移3-6)、(3)銀河進化の多様性の起源(赤方偏移1-3)について調べる。そして、すばる望遠鏡HSC、アルマ望遠鏡を使った大規模な銀河サーベイ観測の結果と比較し、実証していく。

Outline of Annual Research Achievements

原始銀河団シミュレーションプロジェクトFOREVER22 (FORmation and EVolution of galaxies in Extremely overdense Regions motivated by SSA22)を牽引し、赤方偏移3から10における様々な銀河の物理状態を解析した。結果として、大質量銀河の星形成史やブラックホールの質量成長史などを明らかにした。また、星質量とハロー質量の比、星質量と重元素の関係、星質量と星形成率の関係に関して、平均的な密度場の銀河と比較したところ大きな違いが無い事が分かった。したがって、原始銀河団領域の高い星形成率は大質量のハローが早くに形成される事が主な要因である事を示唆した。また、多波長輻射輸送計算を実行し、１０００個の銀河に対して観測特性を調べた。結果として、銀河の星質量が10の10乗太陽質量を超えると、星からの紫外線の大半がダストによって吸収され銀河はサブミリ波で明るくなる事が分かった。
これらの大規模構造スケールの銀河シミュレーションに加えて、銀河内の分子雲における星団形成のシミュレーションも同時に行なった。遠方銀河の星形成メカニズムを理解するためには、大規模構造スケールと分子雲スケールの両方のスケールにおける星形成の要因を調べる事が重要である。我々の星団シミュレーションによって、電離光子と非電離紫外線の両方の効果が重要である事が分かった。これらを両方考慮することで観測されているような高密度星団の質量とサイズが再現できる事が分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請課題で着目している原始銀河団に関して、シミュレーションプロジェクトを成功し、解析を進める事が出来た。分担者とともに最新の銀河観測データとも比較し、観測を再現する事に成功した。加えて、観測では調べる事が難しい、ハロー質量と星形成の関係や、3次元的銀河形態、多波長観測特性の物理的起源について明らかにする事が出来た。このような大きい空間スケールのシミュレーション研究を進めるとともに、分子雲スケールのシミュレーションも推し進め、広いダイナミックレンジにおいて銀河形成過程の理解を深める事が出来た。

Strategy for Future Research Activity

今後は、原始銀河団シミュレーションを更に推し進め、赤方偏移2から10までの広い範囲において銀河形成を調べていく。同時に、宇宙再電離期の原始銀河団周囲の電離バブルの形成について研究を行う。また、銀河や中心巨大ブラックホールの活発性と周囲大規模フィラメント構造の関係についても定量的に調べていく。特に、分担者が進めている大規模フィラメントからのライマンアルファ輝線マップの観測と直接比較するために、シミュレーションでもフィラメントのライマンアルファ表面輝度をモデル化していく。これらの計算のためには、まず銀河からの電離光子とライマンアルファ輝線放射を輻射輸送計算によって明らかにする、そして周囲銀河全体ガスの電離状態に関しても同様に計算して求めていく。これらの研究を通して、原始銀河団の銀河の形成と銀河間ガスの状態を統一的に理解する事を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] エディンバラ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ペンシルバニア州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] カナリア天体物理研究所(スペイン)
• [Int'l Joint Research] エディンバラ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] ペンシルバニア州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] カナリア天体物理研究所(スペイン)
• [Journal Article] Far and extreme UV radiation feedback in molecular clouds and its influence on the mass and size of star clusters (2022)
  • Author(s): Fukushima,H., & Yajima,H.
  • Journal Title: MNRAS Volume: 511 Issue: 3 Pages: 3346-3364
  • DOI: 10.1093/mnras/stac244
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The formation of the first quasars: the black hole seeds, accretion, and feedback models (2022)
  • Author(s): Zhu Qirong、Li Yuexing、Li Yiting、Maji Moupiya、Yajima Hidenobu、Schneider Raffaella、Hernquist Lars
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 514 Issue: 4 Pages: 5583-5606
  • DOI: 10.1093/mnras/stac1556
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploring the cosmic dawn and epoch of reionization with the 21cm line (2022)
  • Author(s): Shimabukuro Hayato、Hasegawa Kenji、Kuchinomachi Akira、Yajima Hidenobu、Yoshiura Shintaro
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 75 Issue: Supplement_1 Pages: S1-S32
  • DOI: 10.1093/pasj/psac042
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deep Learning of Diffuse Optical Tomography Based on Time-Domain Radiative Transfer Equation (2022)
  • Author(s): Takamizu Yuichi、Umemura Masayuki、Yajima Hidenobu、Abe Makito、Hoshi Yoko
  • Journal Title: Applied Sciences Volume: 12 Issue: 24 Pages: 12511-12525
  • DOI: 10.3390/app122412511
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TRINITY: A three-dimensional time-dependent radiative transfer code for in-vivo near-infrared imaging (2022)
  • Author(s): Yajima Hidenobu、Abe Makito、Umemura Masayuki、Takamizu Yuichi、Hoshi Yoko
  • Journal Title: Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer Volume: 277 Pages: 107948-107948
  • DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107948
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] FOREVER22: galaxy formation in protocluster regions (2021)
  • Author(s): Yajima Hidenobu、Abe Makito、Khochfar Sadegh、Nagamine Kentaro、Inoue Akio K、Kodama Tadayuki、Arata Shohei、Dalla-Vecchia Claudio、Fukushima Hajime、Hashimoto Takuya、Kashikawa Nobunari、Kubo Mariko、Li Yuexing、Matsuda Yuichi、Mawatari Ken、Ouchi Masami、Umehata Hideki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 509 Issue: 3 Pages: 4037-4057
  • DOI: 10.1093/mnras/stab3092
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formation of the first galaxies in the aftermath of the first supernovae (2021)
  • Author(s): Abe Makito、Yajima Hidenobu、Khochfar Sadegh、Dalla Vecchia Claudio、Omukai Kazuyuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 508 Issue: 3 Pages: 3226-3238
  • DOI: 10.1093/mnras/stab2637
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radiation hydrodynamics simulations of massive star cluster formation in giant molecular clouds (2021)
  • Author(s): Fukushima Hajime、Yajima Hidenobu
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 506 Issue: 4 Pages: 5512-5539
  • DOI: 10.1093/mnras/stab2099
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Instability analysis for spiral arms of local galaxies: M51, NGC 3627, and NGC 628 (2021)
  • Author(s): Inoue Shigeki、Takagi Toshinobu、Miyazaki Atsushi、Cooper Erin Mentuch、Egusa Fumi、Yajima Hidenobu
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 506 Issue: 1 Pages: 84-97
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1729
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hoyle-Lyttleton accretion on to black hole accretion disks with super-Eddington luminosity for dusty gas (2021)
  • Author(s): Ogata Erika、Ohsuga Ken、Yajima Hidenobu
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 73 Issue: 4 Pages: 929-942
  • DOI: 10.1093/pasj/psab055
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Cosmological Simulations of the First Galaxy Formation and Comparisons with JWST data (2023)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 9th Galaxy Evolution Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of the First Massive Galaxies in Cosmological Simulations and Their Observational Properties (2023)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: Early Disk-Galaxy Formation from JWST to the Milky Way
• [Presentation] 原始銀河団シミュレーション:超遠方サブミリ波銀河の形成について (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 天文学会秋季年会
• [Presentation] 輻射輸送計算による星間紫外線円偏光場のモデル化とキラル分子への影響 (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 第11回宇宙における生命ワークショップ
• [Presentation] Development of in-vivo optical tomography by combining radiative transfer calculations and machine learning (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: CCS symposium 2022
• [Presentation] FOREVER22 simulation project (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: France-Japan Galaxy Formation workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FOREVER22: the first bright galaxies with population III stars and comparisons with JWST data (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: NECO JWST workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 初期宇宙の銀河形成と星間紫外線円偏光 (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 計算アストロバイオロジー2022
• [Presentation] ヒト頸部と頭部を対象にした輻射輸送シミュレーション (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 計算メディカルサイエンスワークショップ
• [Presentation] 甲状腺癌診断に向けたヒト頸部の高精度輻射輸送シミュレーション (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: 生体光イメージング産学連携専門委員会キックオフシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 甲状腺がんの近赤外線診断に向けた高精度輻射輸送シミュレーション (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2022
• [Presentation] Formation of the first massive star clusters in the first galaxies (2022)
  • Author(s): 矢島秀伸
  • Organizer: Gravitational Wave Physics and Astronomy : Genesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multi-wavelength properties of high-redshift galaxies in cosmological simulations (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: France-Japan international research network NECO tele talk session
  • Invited
• [Presentation] Cosmological simulations of massive galaxies in protocluster regions (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: Sino-French workshop on confronting simulations with observations of high-redshift galaxies and clusters
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生体光イメージングに向けた大規模輻射輸送計算コードの開発 (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2021
• [Presentation] 初期宇宙の銀河形成：フィードバックと金属分布について (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: 金属欠乏宇宙2021
  • Invited
• [Presentation] 初期宇宙の銀河の活発な星形成：その内的要因と外的要因 (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: 銀河と星形成2021
  • Invited
• [Presentation] 高精度輻射輸送計算と機械学習の融合による近赤外光トモグラフィ: 現状とこれから (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: 計算メディカルサイエンスワークショプ
• [Presentation] 原始銀河団におけるマルチスケール多重AGN (2021)
  • Author(s): Hidenobu Yajima
  • Organizer: 多重AGNワークショップ