宇宙の初期構造の起源と 銀河間物質の再イオン化

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1 宇宙の初期構造の起源と 銀河間物質の再イオン化
国立天文台理論天文学研究系　吉田直紀　 理論懇２００４　１月６日

2 構造の起源：初期宇宙での密度揺らぎ パワースペクトル LCDM D(k)=4pk P(k) 100 10 1 0.1 0.01 0.001
LCDM 0.1 0.01 0.001 10 10　Msun 12 9 6 質量 k [h/Mpc]

3 発展した宇宙の密度場 1Gpc LCDM k power 1Mpc

4 ？ 観測で確実にわかっている部分 LCDM 100 10 1 0.1 0.01 0.001 10 12 9 6 CMB （WMAP)
質量スケール LCDM CMB （WMAP) ？ 0.1 0.01 0.001 k [h/Mpc]

5 WMAP First-Year Result
0.17 早期再電離 （～２－３億年） reion. at z

6 原始ガス雲形成の宇宙論的 シミュレーション
WMAP 初期条件：　密度ゆらぎガウシアン, CDM + バリオン + 背景放射 重力 + 流体力学 化学反応 Gas H2 9種非平衡 e, H, H+, H-, H2, H2+, He, He+, He++ z = 100 磁場なし、ダストなし、宇宙線なし！ Yoshida, Sugiyama, Hernquist (2003)

7 初期天体の形成 CDMモデル 1 Mpc z=17

8 初期天体の典型的質量 M_host ~ 10 Msun 6
Yoshida, Abel, Hernquist, Sugiyama (2003a)

9 Small-scale power: pLCDM, WDM, RSI
6 10 Msun 10 9 pLCDM D(k) 2 Running Spectral Index model WDM

10 CDM vs WDM (10 keV) 1 Mpc 一個だけ z=20 でたくさんのガス雲

11 z=17 でのミニハローの分布 CDM WDM z_reion (WMAP) ~ 17

12 イオン化波面伝播のシミュレーション Adaptive Ray Casting Scheme
Sokasian, Yoshida, Abel, Hernquist (2003) Adaptive Ray Casting Scheme z=24 z=22 LCDM+PopIII 中性 イオン化 z=21 z=20

13 イオン化領域の割合 （極端な）モデル : ガス雲につき一つの大質量星 f_esc = 1 イオン化領域では星形成なし

14 LCDM vs Running model 1 Mpc 0個

15 原始ガス雲の数 LCDM Running WMAP z_reion

16 もう少し大きなスケール pLCDM, WDM(1kev), RSI
6 10 Msun 10 9 LCDM D(k) 2 RSI WDM

17 CDMサブストラクチャー Springel et al. (2001) Moore et al. (1999)

18 銀河サイズハローの観測 Kochanek & Dalal (2002) 4-image radio galactic lenses
MG B PG B B B B

19 超高解像度シミュレーションの結果 銀河サイズのハロー内のサブハロー CDM RSI WDM ~ 7 % ~7 % ~2.5 %
~ 7 % ~7 % ~2.5 % Yoshida & Hernquist (2004)

20 Cosmic Patchwork - 初期物質分布を”観測“する
早期再イオン化 CMB (WMAP) ハローの部分構造 によるレンズ効果 ライマン-a雲 LCDM 銀河サーベイ D(k) 2 RSI WDM 10 12 9 6 質量スケール k [/Mpc]

21 わかっている部分 LCDM 100 10 1 0.1 0.01 0.001 10 12 9 6 CMB （WMAP)
質量スケール LCDM CMB （WMAP) 0.1 0.01 0.001 k [h/Mpc]

22 Small-scale structure of the Universe
＜まとめ＞ これからおもろいのは、、、 Small-scale structure of the Universe N.Y. 理論懇2001、2004、、、

23 展望（まとめにかえて） イオン化の歴史をさぐる。 t だけではよくわからない post-WMAP CMB 観測 GRB afterglows
銀河サイズのハローの部分構造 　（Dalal 2002; Metcalf 2003; 千葉2002) 赤方偏移した中性水素２１cm 　　ｚ＞１５

24 もっと簡単に計算したい、、、が、 t_dyn ~ ３０００万年 t_cool ~ ３０００万年 t_chem ~ ３０００万年
水素・ヘリウムガスの冷却曲線 H He H2 + 銀河(大きなシステム）の形成 原始ガス雲形成 t_dyn ~ ３０００万年 t_cool ~ ３０００万年 t_chem ~ ３０００万年 t_hubble ~ １億年 　z=25:

25 Comparison: SA vs simulation
“Minimum collapse mass” model

26 宇宙の構成要素 通常の物質 ？ ダークマター ？ ダークエネルギー

27 おすすめ本： 1. Landau, Lifshitz Quamtum Mechanics 2. Sedov
Similarity and Dimensional Methods in Mechanics 3. Vincenti, Kruger Physical Gas Dynamics