Study of early black hole foramtion and cosmic reionization using high-z quasars

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03645
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 柏川 伸成 国立天文台, TMT推進室, 准教授 (00290883)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 初期宇宙 / ブラックホール / 宇宙再電離 / 銀河形成 / 銀河共進化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、すばる望遠鏡の大集光力と広視野撮像機能を駆使した系統的かつ独創的な手法によって、I)赤方偏移7を超える超遠方QSOを多数発見し、またII)赤方偏移6付近の遠方QSOの特に暗い種族の統計的サンプルを構築することを目的とする。これらはいずれも技術的な問題によりこれまでその達成が不可能であった。これにより、現代天文学の大問題となっている、1)初代ブラックホールの形成過程、及び、2)宇宙再電離の過程、を解明する。これら初期宇宙に関する2つの未解決過程について初めて実効的な観測のメスを入れ、飛躍的な理解を得ることが、本研究の2本の大きな柱である。海外の同様な観測計画に対して既にリードしているこれまでの研究をさらに発展させ、周辺分野に波及するような初期宇宙の研究におけるブレークスルーを狙う。
昨年度に引き続き、撮像観測からクェーサー候補を選択し、追観測することによって確定されたクェーサーサンプルを増やすという作業を精力的に行った。その結果、従来の研究に比べて100倍暗い遠方クェーサーを60個(これまで見つかっていた個数は2個)に大きく増加させることができた。4個のサンプルについての電波追観測は、母銀河の力学的質量の測定と銀河との共進化の観点から初成果論文を出版した。また近赤外観測によるブラックホール質量測定についても現在論文執筆中である。このサンプルを基に、現在光度関数の評価を行っている。
一方、平行して進めている初期銀河団探査についても初期成果を論文にしてまとめた。同時にこれらの初期銀河団と遠方クェーサーについての空間相関についても、統計的な知見が得られ、２本の成果論文を出版した。
2年前から新たな着想に基づいた赤方偏移7を超えるより遠いクェーサーを検出するための観測装置開発計画を進めている。昨年は開発の一部で遅れがみられたものの所定の検出器性能を達成することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

HSCサーベイ観測は当初予定に比べて若干の遅れがあるものの概ね順調に進行している。しかしながら、2018年1-3月にかけての観測が記録的な天候不順によりほとんど実行されなかった。追観測についても時間獲得には成功しており、すばる望遠鏡以外での観測結果は得られているものの、すばるによる観測はいづれも悪天候によってストップされている。しかし現在手元にあるデータから論文を執筆しているところである。成果論文については今年度2本を受理し、現在さらに1本執筆中であり、期待通りのペースで成果を獲得しつつある。
初期大規模構造についても初期データからのサンプルに基づいて、サンプルの構築・性質、AGNとの相関、ペアークェーサーとの相関、をそれぞれテーマに3本の査読論文を受理させた。内外で高い評価を得ており、すばる望遠鏡のホームページで一般社会に向けてウェブリリースを行った。今年度はさらにサブミリ銀河との相関、銀河団中心銀河についての研究をスタートさせた。2年前から開始した新たな発展研究として、クェーサー吸収線系から探る原始銀河団探査、クェーサー周辺環境における銀河形成、なども海外の研究者と協力しながら継続して行っているが、残念ながら、現在のところ観測トラブルなどにより期待以下の品質のデータしか獲得されていない。まだ観測時間は残されているので今後の巻き返しに期待したい。超遠方クェーサーを検出するための新しい観測装置の提案を着想し、検出器に対して多くの問題点を洗い出すとともに、将来的なサーベイ計画の検討を開始した。
今年度はすばるHSC全体でまとめて初期データを用いた成果発表を行ったせいもあり、関連する分野を含めて多くの成果論文を出版することができた。

Strategy for Future Research Activity

昨年度までは、撮像観測からクェーサー候補を選択し、追観測することによって確定されたクェーサーサンプルを増やすという作業を精力的に行った。その結果、従来の研究に比べて100倍暗い遠方クェーサーを60個(これまで見つかっていた個数は2個)に大きく増加させることができた。今後サンプルをさらに増やしていくとともに、現在ほぼ評価が完了した光度関数などの統計的性質について論文発表していくことが今年度の目標である。電波追観測による母銀河の力学的質量の測定と銀河との共進化についての研究、また近赤外観測によるブラックホール質量測定についても、サンプル数を増やすことが今年度の目標である。後者については査読論文にまとめたい。
一方、平行して行っているプロジェクトとしての初期銀河団探査も初期成果を論文にしてまとめた。同時にこれらの初期銀河団と遠方クェーサーについての空間相関についても、統計的な知見が得られ、２本の成果論文を出版した。今年度は新たな観測データを加えて、銀河とAGN、あるいはAGNと高密度領域との相関について、さらに考察を進める予定である。また今年度から開始した、サブミリ銀河との相関、銀河団中心銀河についての研究についても来年度中に論文にまとめたい。
2年前から新たな着想に基づいた赤方偏移7を超えるより遠いクェーサーを検出するための観測装置開発計画を進めている。昨年は開発の一部で遅れがみられたものの所定の検出器性能を達成することができたので、今年度は、他の開発項目を進めるとともにさらに計画を具体化させていきたい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] プリンストン大学/カルフォルニア大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: プリンストン大学/カルフォルニア大学
• [Int'l Joint Research] ブラジル国立天文台(ブラジル)
  • Country Name: BRAZIL
  • Counterpart Institution: ブラジル国立天文台
• [Journal Article] Great Optically Luminous Dropout Research Using Subaru HSC (GOLDRUSH). I. UV luminosity functions at z~4-7 derived with the half-million dropouts on the 100 deg2 sky (2018)
  • Author(s): Ono, Yoshiaki; Ouchi, Masami; Harikane, Yuichi; Toshikawa, Jun; Rauch, Michael; Yuma, Suraphong; Sawicki, Marcin; Shibuya, Takatoshi; Shimasaku, Kazuhiro; Oguri, Masamune; Willott, Chris; Akhlaghi, Mohammad; Akiyama, Masayuki; Coupon, Jean; Kashikawa, Nobunari et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 10-40
  • DOI: 10.1093/pasj/psx103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GOLDRUSH. III. A systematic search for protoclusters at z~4 based on the >100 deg2 area (2018)
  • Author(s): Toshikawa, Jun; Uchiyama, Hisakazu; Kashikawa, Nobunari; Ouchi, Masami; Overzier, Roderik; Ono, Yoshiaki; Harikane, Yuichi; Ishikawa, Shogo; Kodama, Tadayuki; Matsuda, Yuichi; Lin, Yen-Ting; Onoue, Masafusa; Tanaka, Masayuki; Nagao, Tohru; Akiyama, Masayuki; Komiyama, Yutaka; Goto, Tomotsugu; Lee, Chien-Hsiu
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 12-22
  • DOI: 10.1093/pasj/psx102
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SILVERRUSH. II. First catalogs and properties of ~2000 Lyα emitters and blobs at z~6-7 identified over the 14-21 deg2 sky (2018)
  • Author(s): Shibuya, Takatoshi; Ouchi, Masami; Konno, Akira; Higuchi, Ryo; Harikane, Yuichi; Ono, Yoshiaki; Shimasaku, Kazuhiro; Taniguchi, Yoshiaki; Kobayashi, Masakazu A. R.; Kajisawa, Masaru; Nagao, Tohru; Furusawa, Hisanori; Goto, Tomotsugu; Kashikawa, Nobunari et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 14-32
  • DOI: 10.1093/pasj/psx122
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SILVERRUSH. III. Deep optical and near-infrared spectroscopy for Lyα and UV-nebular lines of bright Lyα emitters at z = 6-7 (2018)
  • Author(s): Shibuya, Takatoshi; Ouchi, Masami; Harikane, Yuichi; Rauch, Michael; Ono, Yoshiaki; Mukae, Shiro; Higuchi, Ryo; Kojima, Takashi; Yuma, Suraphong; Lee, Chien-Hsiu; Furusawa, Hisanori; Konno, Akira; Martin, Crystal L.; Shimasaku, Kazuhiro; Kashikawa, Nobunari et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 15-32
  • DOI: 10.1093/pasj/psx107
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SILVERRUSH. IV. Lyα luminosity functions at z = 5.7 and 6.6 studied with ~1300 Lyα emitters on the 14-21 deg2 sky (2018)
  • Author(s): Konno, Akira; Ouchi, Masami; Shibuya, Takatoshi; Ono, Yoshiaki; Shimasaku, Kazuhiro; Taniguchi, Yoshiaki; Nagao, Tohru; Kobayashi, Masakazu A. R.; Kajisawa, Masaru; Kashikawa, Nobunari; Inoue, Akio K.; Oguri, Masamune; Furusawa, Hisanori et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 16-36
  • DOI: 10.1093/pasj/psx131
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of galaxy overdensity around quasar pairs at z < 3.6 based on the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program Survey (2018)
  • Author(s): Onoue, Masafusa; Kashikawa, Nobunari; Uchiyama, Hisakazu; Akiyama, Masayuki; Harikane, Yuichi; Imanishi, Masatoshi; Komiyama, Yutaka; Matsuoka, Yoshiki; Nagao, Tohru; Nishizawa, Atsushi J.; Oguri, Masamune; Ouchi, Masami; Tanaka, Masayuki; Toba, Yoshiki; Toshikawa, Jun
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 31-52
  • DOI: 10.1093/pasj/psx092
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Luminous quasars do not live in the most overdense regions of galaxies at z~4 (2018)
  • Author(s): Uchiyama, Hisakazu; Toshikawa, Jun; Kashikawa, Nobunari; Overzier, Roderik; Chiang, Yi-Kuan; Marinello, Murilo; Tanaka, Masayuki; Niino, Yuu; Ishikawa, Shogo; Onoue, Masafusa; Ichikawa, Kohei; Akiyama, Masayuki; Coupon, Jean; Harikane, Yuichi; Imanishi, Masatoshi; Kodama, Tadayuki et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 32-46
  • DOI: 10.1093/pasj/psx112
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Clustering of quasars in a wide luminosity range at redshift 4 with Subaru Hyper Suprime-Cam Wide-field imaging (2018)
  • Author(s): He, Wanqiu; Akiyama, Masayuki; Bosch, James; Enoki, Motohiro; Harikane, Yuichi; Ikeda, Hiroyuki; Kashikawa, Nobunari; Kawaguchi, Toshihiro; Komiyama, Yutaka; Lee, Chien-Hsiu; Matsuoka, Yoshiki; Miyazaki, Satoshi; Nagao, Tohru; Nagashima, Masahiro et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 33-52
  • DOI: 10.1093/pasj/psx129
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The quasar luminosity function at redshift 4 with the Hyper Suprime-Cam Wide Survey (2018)
  • Author(s): Akiyama, Masayuki; He, Wanqiu; Ikeda, Hiroyuki; Niida, Mana; Nagao, Tohru; Bosch, James; Coupon, Jean; Enoki, Motohiro; Imanishi, Masatoshi; Kashikawa, Nobunari; Kawaguchi, Toshihiro; Komiyama, Yutaka et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 34-57
  • DOI: 10.1093/pasj/psx091
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7 < z < 6.8 (2018)
  • Author(s): Matsuoka, Yoshiki; Onoue, Masafusa; Kashikawa, Nobunari; Iwasawa, Kazushi; Strauss, Michael A.; Nagao, Tohru; Imanishi, Masatoshi; Lee, Chien-Hsiu; Akiyama, Masayuki; Asami, Naoko; Bosch, James; Foucaud, Sebastien et al.
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 70 Pages: 35-60
  • DOI: 10.1093/pasj/psx046
• [Journal Article] A search for Ly α emitters around a concentrated region of strong Ly α absorbers at z = 2.3 (2017)
  • Author(s): Ogura, Kazuyuki; Nagao, Tohru; Imanishi, Masatoshi; Kashikawa, Nobunari; Taniguchi, Yoshiaki; Kajisawa, Masaru; Kobayashi, Masakazu A. R.; Toba, Yoshiki; Nobuhara, Kodai
  • Journal Title: Publications of the Astronomical Society of Japan Volume: 69 Pages: 51-66
  • DOI: 10.1093/pasj/psx027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A New Constraint on Reionization from the Evolution of the Lyα Luminosity Function at z~6-7 Probed by a Deep Census of z = 7.0 Lyα Emitter Candidates to 0.3L (2017)
  • Author(s): Ota, Kazuaki; Iye, Masanori; Kashikawa, Nobunari; Konno, Akira; Nakata, Fumiaki; Totani, Tomonori; Kobayashi, Masakazu A. R.; Fudamoto, Yoshinobu; Seko, Akifumi; Toshikawa, Jun; Ichikawa, Akie; Shibuya, Takatoshi; Onoue, Masafusa
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 844 Pages: 85-122
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa7a0a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Minor Contribution of Quasars to Ionizing Photon Budget at z~6: Update on Quasar Luminosity Function at the Faint End with Subaru/Suprime-Cam (2017)
  • Author(s): Onoue, Masafusa; Kashikawa, Nobunari; Willott, Chris J.; Hibon, Pascale; Im, Myungshin; Furusawa, Hisanori; Harikane, Yuichi; Imanishi, Masatoshi; Ishikawa, Shogo; Kikuta, Satoshi; Matsuoka, Yoshiki et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 847 Pages: 15-21
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa8cc6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Very Compact Millimeter Sizes for Composite Star-forming/AGN Submillimeter Galaxies (2017)
  • Author(s): Ikarashi, Soh; Caputi, Karina I.; Ohta, Kouji; Ivison, R. J.; Lagos, Claudia D. P.; Bisigello, Laura; Hatsukade, Bunyo; Aretxaga, Itziar; Dunlop, James S.; Hughes, David H.; Iono, Daisuke; Izumi, Takuma; Kashikawa, Nobunari; Koyama, Yusei et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 849 Pages: 36-44
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa9572
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lyman-break Galaxies at z~3 in the Subaru Deep Field: Luminosity Function, Clustering, and [O III] Emission (2017)
  • Author(s): Malkan, Matthew A.; Cohen, Daniel P.; Maruyama, Miyoko; Kashikawa, Nobunari; Ly, Chun; Ishikawa, Shogo; Shimasaku, Kazuhiro; Hayashi, Masao; Motohara, Kentaro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 850 Pages: 5-24
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa9331
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Resolving the Internal Structure of Circumgalactic Medium Using Gravitationally Lensed Quasars (2017)
  • Author(s): Koyamada, Suzuka; Misawa, Toru; Inada, Naohisa; Oguri, Masamune; Kashikawa, Nobunari; Okoshi, Katsuya
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 851 Pages: 88-101
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa9a3a
  • Peer Reviewed
• [Presentation] High-Z Protocluster Survey by Subaru/HSC (2017)
  • Author(s): Kashikawa, Nobunari
  • Organizer: Early stages of Galaxy Cluster Formation (GCF) 2017: Mergers, Protoclusters, and Star Formation in Overdense Environments
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 宇宙は原始銀河団であふれている
  • URL: https://www.subarutelescope.org/Pressrelease/2018/03/04/j_index.html