平成28年度(前期) 総合研究大学院大学 宇宙科学専攻 第7章　参考資料 宇宙の階層構造と星形成史　 Cosmic Hierarchical Structure and Star Formation History 2016. 6. 28 平成28年度(前期) 総合研究大学院大学　宇宙科学専攻 飛翔体天文学特論II 松原英雄（ISAS、JAXA）

宇宙は膨張している ハッブルの法則 宇宙には始まりがあった“ビッグバン” H0 : ハッブル定数 距離：D 後退速度 : V 　　　V ＝ H0×D H0 : ハッブル定数 宇宙には始まりがあった“ビッグバン”

Redshift due to Expansion （IR） （UV） Colour at 5billion light years away Colour at rest-frame Light from distant objects on the Hubble flow is redshifted as: λ＝λ0（１＋ｚ） ｚ：redshif t → Gamma-ray photons when the Universe is 0.4 millon years old is now redshifted to millimeter-wave (z~1000)

WMAP Observations of the CMB q ~ 70 q ~ 0.20 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001 at L2) Probe the CMB fluctuation Spectrum below the horizon scale : q ~ 900 - 0.2 (l=2-1000 @ Spherical harmonics q=180o / l )

WMAP Observations of the CMB Red - warm Blue - cool

WMAP Observations of the CMB fundemental 1st harmonic

What WMAP found? The content of the Universe: Baryon 4% + Cold Dark Matter (CDM) 20% + Dark Energy 76% From Detailed shapes and relative amplitude of fluctuation peaks By considering Acoustic Oscillation in Baryon-photon fluid The Hubble Constant : 73 km sec-1 Mpc-1

Planck （launched in 2009)

赤方偏移と宇宙年齢・ルックバックタイム の関係

宇宙の階層構造 階層 質量 (M8 ) 大きさ 密度 ( g/cm3 ) 星 ~ １ ~ 106 km 1 銀河 ~ 1011 ~ 10 kpc ~10-25 銀河団 ~1013~14 ~ 5 Mpc ~10-28 超銀河団 ~1015~16 ~100 Mpc ~10-30 宇宙全体 ~1021~23 ~3000 Mpc

重力を支配するダークマター 光を出さない。しかし万有引力は持っている。 正体は未だ不明。 銀河の回転運動を調べていくと、“何かがある”ことは間違いない。 大きなスケールになるほど顕著： 太陽の近く：光っている物質の2－3倍 我々の銀河系（銀河中心～太陽系まで）：10倍 銀河団：３０－１００倍 　（その一部はX線で光るホットガス）

宇宙の構造形成の歴史 （現在の標準的な考え方だと） 宇宙誕生から１－２億年： 1億～10億太陽質量のダークマターの固まり（矮小銀河クラス）が出現。 宇宙誕生から５－１０億年： 千億～一兆太陽質量のダークマターの固まり（普通の銀河） が出現 宇宙誕生から10－30億年： 銀河団規模の固まりがようやく出現

Large-scale Structure Formation (CDM) © Moore et al. (1999, private communication with T. Kodama)

ダークマターハローの質量関数

7-12Gyrs ago: `the Violent Era’ Cosmic Star formation History (UV & optical) Hopkins & Beacom (2006) Star-formation activity was much more strong in the past!

Cosmic Star-Formation revealed so far (Burgarella+ 2014, Madau & Dickinson 2014) 図１. 最先端の観測装置で得られた宇宙の星形成史の理解の現状（Madau & Dickinson 2014に加筆）。若い星からの紫外線（UV)のデータ点に比べ、塵の赤外線熱放射（IR；塵に吸収された星のエネルギーの再放出）のデータ点が一桁大きい。また約80億年前から現在に向かって急激に星形成率が低下している。 IR bright (dust-obscured) star-formation is ~30 times stronger than UV-bright one

However, galaxy merger is not the only mechanism triggering the intense star formation ! Elbaz et al. (2007) Morphology of LIRGs at z=1

主系列銀河とスターバースト銀河 Star-formation Main Sequence and Starburst Star-Formation Rate [Msun/yr] Main-Sequence 星形成率と質量からsSFRでスターバーストを定義 Stellar Mass [Msun] Rodighiero et al.2011

反階層的進化（ダウンサイジング） 金属度 （可視光スペクトル線より導いたもの） 形成した星の質量の現在の質量に対する割合 [ % ] 金属度　（可視光スペクトル線より導いたもの） 形成した星の質量の現在の質量に対する割合 [ % ] 我々の銀河系 我々の銀河系 Maiolino, Nagao, et al. (2008) Perez-Gonzaｌez et al. (2008)

銀河はどうやってできたのか？ （現在の標準的な考え方） 大変小さな 赤ちゃん銀河 星が爆発的に 誕生している 赤外線で輝く銀河 銀河の 衝突・合体 「銀河風」により星の母胎である星間雲が吹き飛んでしまうと… 星々が年老いて楕円銀河に

生まれたての銀河はみつかったか？（１） ライマンα輝線銀河 水素原子（宇宙で最も多い元素）の数多いスペクトル線の中で最も基本的なライマンα（波長121.566nm）輝線を頼りに地上大望遠鏡による「広くかつ深い探査」で発見。 約百億年前の宇宙で大規模構造が見つかっている！ 25” = 190 kpc SSA22 “Blob1” (Steidel et al. 2000) のすばる画像 (Matsuda et al. 2004)

生まれたての銀河はみつかったか？（２） サブミリ波銀河 波長800ミクロン～１ミリで、専用の地上望遠鏡を用いて探査することで発見。２００９年に打ちあげられたハーシェル宇宙天文台で数全個に。 小さな原始銀河が衝突・合体していく過程で、星形成が活発に起こる。そして生まれたばかりの星はとても明るい。 するとそれによって星間物質中の塵が暖められ、赤外線を強く放射する。 サブミリ波では、この塵からの赤外線が赤方偏移（ｚ＝２～３）したものを捉えているのである。

星形成が活発な銀河は 「高光度赤外線銀河」 チリがなかったとしたらこのくらい明るい（星の光） 銀河の明るさ あたたかいチリからの赤外線 星の光は、チリに吸収されて、　くらくなってしまう ０．１ １ １０ １００ 波長〔ミクロン〕

Herschel launched (14 May 2009) & discovered numerous submm galaxies! Credit: ESA