2017 Fiscal Year Annual Research Report
New astrophysical researches by future 21cm line observations
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17H01131
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
郡 和範 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (50565819)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川崎 雅裕 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50202031)
高橋 智 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60432960)
高橋 龍一 弘前大学, 理工学研究科, 助教 (60413960)
久徳 浩太郎 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教 (30757125)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 21cm / 宇宙論 / 宇宙物理学 / ダークマター / インフレーション / 原始ブラックホール / ニュートリノ / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙初期に放射された21cm線を観測することにより、宇宙初期に起こった現象を探ることができる．本研究計画では、将来の21cm線観測を用いることによって得られる基礎科学へのフィードバックを、様々な分野から組織的に整備することを目的として推進してきた．2017年度の業績では、特にブラックホール、密度ゆらぎ、重力レンズとの関係の研究が焦点の一つとなった．
宇宙初期から存在する原始ブラックホールへのバリオン物質の降着により、降着円盤が形成される．その円盤から放射される電波を観測することにより、原始ブラックホールの量を制限することができる．現在まではCMB観測、将来は21cm線観測が厳しい制限を与えることを示した．また、小スケールで大きな密度揺らぎを生成するインフレーション模型を構築し、大きな密度揺らぎによって生成される原始ブラックホールの生成を調べ、暗黒物質とLIGOで発見された重力波イベントの両方を原始ブラックホールで説明できることを示した．コンパクト天体という観点から、ブラックホール・中性子星連星合体におけるニュートリノ輸送などを研究した．また、連星中性子星合体での高精度重力波計算や、LIGO-Virgoによって検出されたGW170817に付随する電磁波放射の理論解釈を行った．その一方、宇宙論的N体数値計算を用いて宇宙の大規模構造を再現し、重力レンズを受けた宇宙背景輻射と銀河形状の歪みの全天疑似マップを作成した．これを用いて弱い重力レンズの観測量の誤差推定の精密化を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以下に詳しく述べるように、当初の計画通りの進捗状況である．研究計画(A)「 小さなスケールの密度ゆらぎの研究」は、順調に進んでいる．また、それと平行して、研究計画(D)「 宇宙再電離と21cm線」の研究は、専用のコンピューターを用いるコンピューターシミュレーションの研究が中心となる．2017年度には専用コンピューターを購入した．それを用い、本格的な計算の前のテスト計算がはじまりつつある．
特に(A)について、原始密度揺らぎパワースペクトルの所謂ランニングパラメタについてミニハローからの21cm線の将来観測から期待される制限について調べてきた．21cm線の観測と宇宙背景放射の観測を合わせると，ランニングについての制限が非常に改善されることが示された．
また、観測計画に対するの準備として、宇宙再電離21cm線と高赤方偏移銀河との相互相関に関する研究を行ってきた．感度の見積もりについての論文を出版し、電波望遠鏡MWAとすばるHSCの観測データを取得した．そうした、これまでの観測により取得したMWAとすばるHSCのデータを用いて相互相関解析を行い、21cm線の初検出を目指している状況である．
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年2月に発表されたEDGES実験(J.D. Bowman, et al, 2018, Nature 555 (2018) 67)により報告された、赤方偏移z=17あたりの宇宙論的な21cm線の吸収線スペクトルは、この分野でたいへんなインパクトを残した．この吸収線のフラックスを説明するためには、光子の温度に比較した場合のバリオンの温度は、標準的な見積もりより２倍あまり低くなければならない．これまでに知られる標準的な理論に変更が必要となる可能性がある．その是非を組織的に検討する．
また、これまでの研究計画どおり、密度ゆらぎと21cm線という観点から、次の３つの計画を推進する．1) 小スケールでのバリオンの密度揺らぎが宇宙初期の元素合成、再結合、再電離など宇宙の熱史に与える影響を調べ、バリオンに密度揺らぎに対する観測的制限を求める．2) 21cm波長域での水素原子による吸収放出および不均一なアクシオンDMがCMB偏光に与える影響を評価する．3) 21cm線の揺らぎだけでなく，グローバルシグナルに関しても，宇宙論への示唆を中心に調べていく．特に，グローバルシグナルを用いて原始密度揺らぎの性質がどのようにして探れるか， 研究を進めていく．
加えて、宇宙論的N体数値計算を実行し、高赤方偏移（z>5）での暗黒ハローの質量関数、密度分布、ハローバイアスを求める．既存の理論モデルの予言と比較し、理論モデルの制度の向上をはかる．重力波天文学とのシナジーとして、今後期待されるブラックホール・中性子星連星合体からの重力波検出に備え、その高精度なシミュレーションを推し進める．同時に、21cm線宇宙物理学を組み合わせることにより、宇宙論や基礎物理を探る道具としての重力波の応用可能性を探求する．
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