Study of cosmic star formation history based on an unbiased survey of mm/submm-wave emission line galaxies

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06130
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 河野 孝太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80321587)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川邊 良平 国立天文台, 科学研究部, 教授 (10195141) ; 田村 陽一 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (10608764) ; 成瀬 雅人 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (10638175) ; 上田 佳宏 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10290876)
• Project Period (FY): 2017-05-31 – 2022-03-31
• Keywords: ミリ波サブミリ波 / 宇宙星形成史 / 輝線銀河 / ダスト / 超伝導

Outline of Annual Research Achievements

オンチップ型超広帯域超伝導分光器という新しいコンセプトの、天体信号の検出による初実証に、世界に先駆け成功し、その成果を出版することができた。これはDESHIMA技術試験モデルをサブミリ波望遠鏡ASTEに搭載して銀河を含む天体信号の検出に成功したものである。また、観測手法・データ較正法の確立についても、望遠鏡の仰角を変えて検出器出力の反応を調べるskydip測定のデータ解析が進み、その結果を査読論文として出版することができた。これらの成功を踏まえ、220GHzから440GHzという当初案を超えた完全1オクターブの分光を実現するDESHIMA 2.0の設計・開発が大きく進んだ。さらに、LMT望遠鏡に搭載する多画素化したDESHIMAのための大型真空・冷却システムと、大規模読み出し回路システムの開発・導入を進めた。広帯域レンズ・アンテナ結合の研究が進み、高い拡張性と将来性を有する優れた設計解を見出すに至ったことも大きな成果である。
アルマ等での観測により、ハッブル宇宙望遠鏡等を使った静止系紫外線の銀河探査では見逃されていた、形成途上にある大質量銀河が、赤方偏移3~6の時代に（現在の理論予測を超え）大量に存在することを見出した。またそうしたダストに隠された銀河やブラックホールの成長を支える巨大なガス流を発見するなど、重要な科学成果が得られている。加えて、アルマの大型プログラム ALMA lensing cluster survey (ALCS；PI河野)の、合計96時間にも及ぶ全観測が完了した。ここで得られる大規模データを活用することで、[CII]光度関数の、特に低光度側への制限を得ることができると期待される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

チップ上に集積した超伝導分光器という新しい概念を世界に先駆け実証し、天体観測を行ってみせた実績と経験を踏まえ、当初案（観測周波数範囲210GHz-360GHz）を超えて、完全１オクターブという超広帯域分光を実際に実現する仕様（観測周波数範囲220GHz-440GHz）のDESHIMA2.0の開発を進めており、2020年度後半にはASTE望遠鏡へ搭載して、本格的な科学観測を進める準備がほぼ整いつつある。また、多画素化したDESHIMAのための大型真空・冷却システムの導入、そして8,000素子を超える超伝導素子の読み出しを可能とする大規模読み出し回路システムの開発・導入も完了した。それらを組み合わせて使用したDESHIMAチップの実験室評価にも既に成功している。
一方で、LMT望遠鏡現地での治安問題や、DESHIMAの多画素化を実現するための研究開発において時間を要し、結果として、当初予定よりはLMT望遠鏡への搭載準備は遅れている。ただ、当初の目標より拡張性の高い設計解に到達できたという予定以上の進展もあること、またASTE望遠鏡に（これも当初目標を超える）完全1オクターブのDESHIMA2.0を搭載して、数ヶ月規模という大規模な科学観測を実施する目処がASTE望遠鏡側との調整も含めてついていることを考慮すると、本計画で目標に掲げていた[CII]輝線光度関数の測定は、特に光度が大きい側（bright end側）で十分に可能である。
こうしたことから、本課題は着実に進展していると判断している。

Strategy for Future Research Activity

観測周波数帯域220GHz-440GHz（完全１オクターブ）のDESHIMA2.0をASTE望遠鏡に搭載し、本格的な科学運用観測を実施する準備を進める。並行してLMT望遠鏡に搭載する多画素化したDESHIMAの開発に向けた設計及び実験室での評価試験等を進める。当初は7x7=49画素の分光アレイを想定していたが、新しい設計解を活かしつつ、より現実的な仕様として、5x5=25画素版の実現を急ぐ。また、LMT望遠鏡の現状での鏡面精度や大気条件を考慮し、観測周波数範囲は、185GHzから365GHzとして設計を進めている。この仕様で期待される性能の定量的な評価も進めており、これで当初期待していた観測能力を達成できる性能になることを確認している。またアルマ大型プログラムで得られた重力レンズ銀河団の背後にある遠方銀河の解析と論文出版を進める。なお、これらチリおよびメキシコにおける観測研究を推進するにあたり、新型コロナによる感染症の影響については、開発を進めているオランダや日本での状況も含め、慎重に見極める必要がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学/オランダ宇宙研究所 (SRON)/ライデン大学(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: デルフト工科大学/オランダ宇宙研究所 (SRON)/ライデン大学
• [Int'l Joint Research] CEA-Saclay(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CEA-Saclay
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学/ダラム大学/エジンバラ大学(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: オックスフォード大学/ダラム大学/エジンバラ大学
• [Int'l Joint Research] カトリカ大学/チリ大学(チリ)
  • Country Name: CHILE
  • Counterpart Institution: カトリカ大学/チリ大学
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア工科大学/UCLA/プリンストン大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア工科大学/UCLA/プリンストン大学
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 7
• [Journal Article] DESHIMA on ASTE: On-Sky Responsivity Calibration of the Integrated Superconducting Spectrometer (2020)
  • Author(s): Takekoshi, T., Karatsu, K., Suzuki, J., Tamura, Y.(39人中4番目), Oshima, T., Taniguchi, A., Asayama, S., Baselmans, J. J. A., Chin, K. W., Ishida, T., Ishii, S., Kawabe, R.(39人中19番目), Klapwijk, T. M., Kohno, K. (39人中21番目), 他
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 199 Pages: 231-239
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02338-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A new off-point-less observing method for millimeter and submillimeter spectroscopy with a frequency-modulating local oscillator (2020)
  • Author(s): aniguchi, Akio; Tamura, Yoichi; Kohno, Kotaro; Takahashi, Shigeru; Horigome, Osamu; Maekawa, Jun; Sakai, Takeshi; Kuno, Nario; Minamidani, Tetsuhiro
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 72 Pages: id.2 (1-23)
  • DOI: 10.1093/pasj/psz121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). VIII. A less biased view of the early co-evolution of black holes and host galaxies (2019)
  • Author(s): Izumi, T., Onoue, M., Kohno, K. (27人中9番目), et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 71 Pages: id.111 (1-21)
  • DOI: 10.1093/pasj/psz096
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Resolving the Interstellar Medium in Ultraluminous Infrared QSO Hosts with ALMA (2019)
  • Author(s): Tan, Qing-Hua; Gao, Yu; Kohno, Kotaro; Xia, Xiao-Yang; Omont, Alain; Hao, Cai-Na; Mao, Shu-De; Daddi, Emanuele; Shi, Yong; Zhao, Ying-He; Cox, Pierre
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 887 Pages: id.24 (1-20)
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab50be
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gas filaments of the cosmic web located around active galaxies in a protocluster (2019)
  • Author(s): Umehata, H.; Fumagalli, M.; Smail, I.; Matsuda, Y.; Swinbank, A. M.; Cantalupo, S.; Sykes, C.; Ivison, R. J.; Steidel, C. C.; Shapley, A. E.; Vernet, J.; Yamada, T.; Tamura, Y.; Kubo, M.; Nakanishi, K.; Kajisawa, M.; Hatsukade, B.; Kohno, K.
  • Journal Title: Science Volume: 366 Pages: 97-100
  • DOI: 10.1126/science.aaw5949
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First light demonstration of the integrated superconducting spectrometer (2019)
  • Author(s): Endo, A.; Karatsu, K.; Tamura, Y.; Oshima, T.; Taniguchi, A.; Takekoshi, T.; Asayama, S.; Bakx, Tom J. L. C.; Bosma, S.; Bueno, J.; Chin, K.-W.; Fujii, Y.; Fujita, K.; Huiting, R.; Ikarashi, S.; Ishida, T.; Ishii, S.; Kawabe, R.; Klapwijk, T.M.; Kohno, K. et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 3 Pages: 989-996
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0850-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A dominant population of optically invisible massive galaxies in the early Universe (2019)
  • Author(s): Wang, T.; Schreiber, C.; Elbaz, D.; Yoshimura, Y.; Kohno, K.; Shu, X.; Yamaguchi, Y.; Pannella, M.; Franco, M.; Huang, J.; Lim, C. -F.; Wang, W. -H.
  • Journal Title: Nature Volume: 572 Pages: 211-214
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1452-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA 200 pc Resolution Imaging of Smooth Cold Dusty Disks in Typical z~3 Star-forming Galaxies (2019)
  • Author(s): Rujopakarn, W.; Daddi, E.; Rieke, G. H.; Puglisi, A.; Schramm, M.; Perez-Gonzalez, P. G.; Magdis, G. E.; Alberts, S.; Bournaud, F.; Elbaz, D.; Franco, M.; Kawinwanichakij, L.; Kohno, K.; Narayanan, D.; Silverman, J. D.; Wang, T.; Williams, C. C.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 882 Pages: id.107 (1-20)
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab3791
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Big Three Dragons: A z = 7.15 Lyman-break galaxy detected in [O III] 88 μm, [C II] 158 μm, and dust continuum with ALMA (2019)
  • Author(s): Hashimoto, Takuya; Inoue, Akio K.; Mawatari, Ken; Tamura, Yoichi; Matsuo, Hiroshi; Furusawa, Hisanori; Harikane, Yuichi; Shibuya, Takatoshi; Knudsen, Kirsten K.; Kohno, Kotaro; et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 71 Pages: id.71 (1-23)
  • DOI: 10.1093/pasj/psz049
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ALMA 26 arcmin^2 Survey of GOODS-S at 1 mm (ASAGAO): Near-infrared-dark Faint ALMA Sources (2019)
  • Author(s): Yamaguchi, Y., Kohno, K., Hatsukade, B., Wang, T., Yoshimura, Y., et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 878 Pages: id.73 (1-8)
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0d22
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wideband on-chip terahertz spectrometer based on a superconducting filterbank (2019)
  • Author(s): Endo, Akira; Karatsu, Kenichi; Laguna, Alejandro Pascual; Mirzaei, Behnam; Huiting, Robert; Thoen, David J.; Murugesan, Vignesh; Yates, Stephen J. C.; Bueno, Juan; Marrewijk, Nuri van; Bosma, Sjoerd; Yurduseven, Ozan; Llombart, Nuria; Suzuki, Junya; Naruse, Masato; et al.
  • Journal Title: Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems Volume: 5 Pages: 035004(1-12)
  • DOI: 10.1117/1.JATIS.5.3.035004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ALMA deep surveys of dusty galaxies (2019)
  • Author(s): Kohno, K.
  • Organizer: East Asia ALMA Science Workshop 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Early Metal Enrichment and Multiphase Interstellar Media in a Galaxy at Redshift 8.3 (2019)
  • Author(s): Tamura, Y.
  • Organizer: East Asia ALMA Science Workshop 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Obscured star-formation and growing SMBHs in galaxies near and far (2019)
  • Author(s): Kohno, K.
  • Organizer: From AGN to Starburst: A Multi-wavelength Synergy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] サブミリ波広帯域分光検出器DESHIMAが拓く宇宙の星形成史 (2019)
  • Author(s): 田村陽一
  • Organizer: 応用物理学会量子エレクトロニクス研究会「宇宙量子エレクトロニクス」
  • Invited
• [Presentation] Growing SMBHs in heavily obscured galaxies (2019)
  • Author(s): 河野孝太郎
  • Organizer: 超巨大ブラックホール研究推進連絡会・第6回ワークショップ
  • Invited
• [Remarks] ミリ波サブミリ波帯輝線銀河の無バイアス探査に基づく隠された宇宙星形成史の研究
  • URL: https://sites.google.com/view/deshimamosaic/home
• [Remarks] ダストに隠された宇宙星生成史の探求
  • URL: https://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/37_topics/data/00102-12601-80321587.pdf
• [Remarks] 日蘭共同開発の新型超伝導受信機DESHIMAが拓く、電波天文学の新航路
  • URL: https://alma.mtk.nao.ac.jp/aste/pressrelease/2019deshima/index.html
• [Remarks] アルマ望遠鏡、39個の「見えない銀河」を捉える - 宇宙進化理論に謎を突きつける楕円銀河の祖先たち
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2019/6480/
• [Remarks] 初期宇宙で見つかった宇宙網 －銀河とブラックホールに恵みをもたらす宇宙の清流－
  • URL: https://www.riken.jp/press/2019/20191004_1/index.html