2022 Fiscal Year Research-status Report
Chemical evolution of the early universe explored by near-infrared spectroscopy of high-redshift quasars
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22K03683
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鮫島 寛明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (10748875)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 活動銀河核 / 化学進化 / 初期宇宙 / 第一世代星 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙の歴史の中で、星や銀河がいつ、どのようにして生まれたのかを明らかにすることは、現代天文学が抱える最重要課題の一つである。本研究は、宇宙で最も明るい天体のクェーサーを観測対象とし、はるか遠方にあるクェーサーから太古の昔に放たれた光を解析することで、星を生む源であるガスの初期宇宙における化学性質を直接調査し、この課題の解決を目指すことを目的としている。
本研究は(1)TAO望遠鏡完成前、(2)TAO望遠鏡完成後の２つのフェイズからなるが、本年度は(1)のフェイズとして、現在知られている最遠方のクェーサーのうちの１天体について、公開データを利用した調査を行った。宇宙年齢わずか７億年の頃に放たれたその光を解析した結果、従来の化学進化モデルが予想するよりはるかに大量の鉄がクェーサーのガス中に含まれていた可能性が高いことが判明した。これは、現在宇宙に金属を供給しているIa型および重力崩壊型の超新星爆発とは異なる金属供給源が初期宇宙には存在していたことを示唆している。そこで理論的に存在が予言されているものの観測的な確認はまだ達成されていない種族IIIの星、すなわち第一世代星に着目し、それが金属供給源であった可能性について検討した。第一世代星が起こす特殊な超新星爆発によって放出される鉄の質量の推定値とクェーサーに含まれるガスの典型的な質量との比較から、280太陽質量程度の第一世代星が対不安定型超新星爆発を過去に起こしていたとすると、クェーサーに含まれる大量の鉄が説明できることが判明した。この結果は査読を経てAstrophysical Journal誌から論文として出版され、間接的ではあるものの第一世代星の存在を示唆する観測結果として大きな反響を得た。
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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
本研究は(1)TAO望遠鏡完成前、(2)TAO望遠鏡完成後の２つのフェイズからなるが、本年度は(1)のフェイズに当たり、既存の公開データの調査や望遠鏡共同利用観測への観測提案を行った。
既存公開データの調査に関しては、近年取得された高精度な最遠方クェーサーのスペクトルデータに着目して解析をした結果、化学進化モデルの予測と大きく異なる大量の鉄が初期宇宙に存在していた可能性が高いという驚くべき結果が得られた。更にその大量の鉄は、280太陽質量という巨大な第一世代星が特殊な超新星爆発を過去に起こしていたとすると、うまく説明できることを突き止めた。これは間接的ではあるものの、いまだ観測的証拠のない第一世代星について得られた貴重な観測的示唆であり、Astrophysical Jounal誌から出版した論文は発表からわずか４ヶ月でダウンロード数が6000を超えるなど、大きな反響を得ることができた。
一方で望遠鏡共同利用観測に関しては、近赤外線分光器SWIMSをすばる望遠鏡に搭載して行う遠方クェーサーの分光観測を提案し、審査員から高い評価を得たものの、残念ながら採択には至らなかった。SWIMSはすばる望遠鏡でのパイロット観測を今年度で終えたため、次にSWIMSで観測を行うには、TAO望遠鏡完成を待つ必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は(1)TAO望遠鏡完成前、(2)TAO望遠鏡完成後の２つのフェイズからなるが、TAO望遠鏡の科学運用開始は現時点で2024年度からとなる見込みである。したがって、2023年度も引き続き(1)のフェイズとなる。
研究は主に公開データを用いて、小サンプルによるパイロット的調査を行う。2022年度の論文では最遠方クェーサー1天体について第一世代星による金属供給の兆候が得られたが、同様の特徴が初期宇宙に存在した他のクェーサーでも見られるのか否か、統計数を増やしての調査に取り組む方針である。
またTAO望遠鏡完成後に効率的な観測をスムーズに実施できるよう、観測計画の立案や解析環境の構築に取り組む。本研究は近赤外線分光器SWIMSをTAO望遠鏡に搭載して観測することを想定しているが、SWIMSはTAO望遠鏡搭載に向けた調整が必要であり、2024年のTAO望遠鏡運用開始時には近赤外線エシェル分光器NICEがSWIMSに先立って稼働する予定である。そこで2023年度はNICEでの観測に向けた解析環境の構築および観測計画の立案に取り組み、2024年度はTAO望遠鏡プロジェクト時間を利用したNICEでのクェーサー観測の推進と系統的観測の経験の蓄積、そして2025年度からはいよいよプロジェクト時間を利用したSWIMSでの系統的な観測を実施する、という方策を立てている。
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| Causes of Carryover |
本年度はTAO望遠鏡完成前のフェイズにあたり、主に解析済みの公開データを用いた研究に取り組んだ。また予定されていたすばる望遠鏡での観測が天候不良により実施されなかったこともあり、年度内に大量の解析や計算をする必要が生じなかった。計算機の性能が年々向上している現状を考慮し、主にTAO望遠鏡完成後に使うことになる計算機や関連物品を拙速に購入することは控え、より性能の高い最新の機種を次年度に購入する方針に変更した。
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