第

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章 参考資料

Section 8 references Special version 平成 24 年度（後期） 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 ） Hideo Matsuhara

List of the Lecture Topics

• History of the Universe after “Big-Bang” : Hierarchal Structure Formation • Cosmic Star formation history – What are the starburst galaxies?

– Star-formation mode • Introduction to the Report Theme – Richers et al. (2013) – Inami et al. (2013) – Murata et al. (2014)

History of the Universe after “Big-Bang” : Hierarchal Structure Formation

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WMAP &Planck

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What WMAP found?

The content of the Universe:

Baryon 4% + Cold Dark Matter (CDM) 23% + Dark Energy 73% From Detailed shapes and relative amplitude of fluctuation peaks By considering Acoustic Oscillation in Baryon-photon fluid

The Hubble Constant : 71 km sec -1 Mpc -1 (Error <5%)

What is the Cold Dark Matter?

• Nature is unknown. No interaction with matter/photons • Only Gravitational Force • Existence is also suggested in Galactic Scale (i.e. rotation curve of galaxies) • Dominates in larger scale: – In Solar Neiborhood: 2-3 x visible mass – In our Galaxy : 10 x visible mass – Cluster of Galaxies : 30-100 x visible mass

Hierarchal Structure of the Universe

Hierarchy Star Mass (M ◎ ) ~ 1 Size ~ 10 6 km Density ( g/cm 3 ) 1 Galaxy ~ 10 11 ~ 10kpc ~10 -25 Cluster of Galaxy Super Cluster Universe ~10 13~14 ~10 15~16 ~10 21~23 ~ 5Mpc ~100Mpc ~3000Mpc ~10 -28 ~10 -30 ~10 -30 • M ◎ ： Solar mass ： 2x10 33 ｇ • pc : 3x10 16 m =3.26 light years (Mpc = 10 6 pc)

Cluster of Galaxies • Our Galaxy is 100 thousand light years in diameter • Galaxy-galaxy separation is typically 100 times bigger than the diameter of a galaxy • • However, in some cases, in a volume of 200-500 times bigger than a galaxy in diameter, there are 100-1000 galaxies ! (= cluster of galaxies)

In Universe, galaxies’ distribution is extremely inhomogeneous.

Cluster of Galaxies showing gravitational lens

Cluster of Galaxies ： association of 100 ～ 1000 galaxies Photo :STScI

Large Scale Structure

（

Super cluster & Voids

）

~0.1 billion light year

• SDSS (Sloan Digitized Sky Survey) main sample 10,000 galaxies • Sheet/ filaments/ Voids with ~0.1 billion light year scale http://skyserver.sdss.org/edr/jp/

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

History of Structure Formation in the Universe

（

”Standard theory”

）

• 0.1-0.2 Billion Years Old: – Formation of 10 8 -10 9 M ◎ (drawf galaxies’ scale) dark matter halo • 0.5-1 Billion Years Old: – Formation of 10 11 -10 12 M ◎ halo （ normal galaxies’ scale) dark matter • 1-3 Billion Years Old: – Formation of cluster of galaxies’ scale dark matter halo

Cosmic Star formation history

What are the starburst galaxies?

Star-formation mode 15

Overview of Galaxies

• 10-1000 billion solar mass of stars plus inter stellar matter

What are “Starburst”galaxies?

• Our Galaxy – Only ~1 solar Mass per year – It takes 100 billion years (x10 of age of Universe) with this star-formation rate • Starburst galaxies – Large star-formation late: 30-1000 solar mass per year – Sometimes obscured by dust  luminous IR galaxies

What triggers Starburst?

M82 : Starburst dwarf galaxy Hot ionized gas is ejected to intergalactic space as a result of intense starburst activity

NGC 4039

（画像：ESA提供）

Colliding / Merging galaxies

Galaxy collisions induces starburst, bright in the Infrared NGC 4038

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How the Massive Galaxies formed?

A scenario

Small building blocks Galaxy collisions mergers Starburst (Infrared Luminous) phase Galactic Wind blows out the interstellar matter Passively evolving ellipticals

Spectral Energy Distribution of Starburst galaxy

Stellar light w/o dust extinction Infrared light from heated dust Stellar light absorbed by dust ０．１ １ １０ Wavelength (microns) １００

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) 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 Starburstines s Stellar Mass [Msun] Rodighiero et al.2011

Introduction to the Report Theme

Richers et al. (2013) Inami et al. (2013) Murata et al. (2014) 26

Richers et al.

"A dust-obscured massive maximum starburst galaxy at a redshift of 6.34“ 「１２９億年前の初期宇宙に、最強スターバースト銀河を発見」 (2013 年 4 月 18 日 ) Nature, Volume 496, Issue 7445, pp. 329-333 (2013) http://adsabs.harvard.edu/abs/2013Natur.496..329R

129 億年前（ビッグバンで宇宙が作られてから 8.8

億年後）の宇宙 に「最強スターバースト銀河」を発見しました。 の展開が期待されるものです。 HFLS3 と呼ばれるこ の天体は、これまでに見つかった中で最も古い最強スターバースト 銀河で、宇宙が始まって以来、既にこの頃には激しい星形成活動 が起きる環境が整っていたことを示しています。この発見は、宇宙 初期の星形成活動の多様性を示す新たな証拠として、今後の研究 27

Broad-band spectra taken by ground follow-up observations 分光フォローアップ • J-VLA, CALMA, PdB, CSO/Z-Spec • H 2 O 、 CO 、 OH 、 OH + , NH 3 、 [C I] 、 [ CII] といった輝線／吸収線 が見られており、この天体の正確な赤方偏移 z=6.3369

が決定さ れた

Spatial extent of gas and dust distributions ガス・ダストの空間的広がり • • （右） HFLS3 からの電離炭素微細構造線 測される）に重ねたもの 。 [C II] ([C II] 157.7 マイクロメートル）の強度分布（ 等高線）を、銀河の紫外線の画像（橙色、ケック望遠鏡＋補償光学付き近赤外線カメラ による。赤方偏移のため、銀河が放った紫外線が、地球からは赤外線の波長域で観 輝線は若い星に温められたガスの分布を表している。 （左） HFLS3 からの 158 マイクロメートル付近での連続波放射（ダストからの放射）の分 布（等高線）。ダストやガスの分布が約３ kpc に広がっていることがわかる。 [C II] 線およ びダストからの連続波のデータは、 PdB ミリ波干渉計で得られたもの。

Derived Physical Quantities

Comparison with Our Galaxy and Arp220 (a local ULIRG) 導かれた物理量のまとめ 天の川銀河、 Arp220 との比較 • 「最強スターバースト」とは、今まで知られている中で最も激しく星を作る現 象で、現在の天の川銀河の 2000 星間物質の量は天の川銀河の 40 倍以上の割合で、新しい星が生まれて いるというものです。今回みつかった銀河には、太陽の 1000 億倍もの質 量の、暖かく 重元素を多く含む星間物質があることが分かりました。この 倍で、まさにガスから星が作られている 最中にあることがわかります。

Inami, H. et al.

"Mid-infrared Atomic Fine-structure Emission-line Spectra of Luminous Infrared Galaxies: Spitzer/IRS Spectra of the GOALS Sample" The Astrophysical Journal, Volume 777, Issue 2, article id. 156 (2013) http://adsabs.harvard.edu/abs/2013ApJ...777..156I

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H II Region

ＨＩＩ領域

• Ionized Hydrogen Nebulae, by young massive stars 若い大質量星（や白色矮 星）の紫外線によって、水 素原子が電離したような領 域。 • Gas Heating : by photo electrons’ kinetic energy • Gas cooling : fine structure (forbidden) lines from atoms and ions.

ガスの加熱は、電離した 光電子の余剰運動エネル ギー。一方、冷却は、金 属イオンからの禁制線（ 光学的に薄いのでガスを 効率的に冷やすことがで きます）。

Spinoglio and Malkan 1992

Representative forbidden lines in the infrared 代表的な赤外禁制線 Line Wavelength (μm) SIII SiII OIV OIII OI NII NIII CI CII HI Brα HI Pfα ArII ArIII NeII NeIII NeV SIV 4.05

7.46

7.0

9.0, 21.8

12.8

15.6, 36.0

14.3, 24.3

10.5

18.7, 34 34.8

25.9

51.8, 88.3

63.1, 145 122, 205 57.3

370 157.7

Usage as diagnostic tool 金属度測定 (H) / ダスト 減光 金属度測定 (H) / ダスト 減光 励起度 励起度 星形成率 / 励起度 / 金属度 SFR / excitation / metallicity AGN （ 活動的銀河核 ）の 指標 励起度 excitation/radiation hardness 励起度 光解離領域 の 指標 AGN の 指標 indicator of AGN ガス 密度 / 金属度 光解離領域 の 指標 金属度 金属度 分子雲 ガス 光解離領域 の 指標 。 遠赤外波長域 で 最強 。

Photoionization Model

Starburst99-Mappings III

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Diagnostics on Age, Metalicity, and AGN contributions

Murata, K. et al. "Polycyclic aromatic hydrocarbon feature deficit of starburst galaxies in the AKARI North Ecliptic Pole Deep field" Astronomy & Astrophysics, Volume 566, id.A136 (2014) http://adsabs.harvard.edu/abs/2014A%26A...566A.136M

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PAH Emission bands as a New Diagnostic Tool 7.7μm 6.2μm 11.2μm 12.7μm 8.6μm 6 8 10 12 14 Rest Wavelength (micron)

PAH emission from NGC2798 (Smith et al. 2007)

• With Spitzer & AKARI, PAH features are found to be unique diagnostic tool for (mostly) nearby galaxies – Inter-band ratio – – – PAH equivalent width PAH luminosity / total IR luminosity (IR8) PAH – plateau ratio

Draine & Li 2006

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Our Findings from the NEP Survey: even R=3-5, we can diagnose the dusty AGN / starbu rst

Red AGN, no PAH AKARI Broad, Continuous wavelength coverage is essential!

PAH

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► ►

The AKARI NEP Survey

Deep : 0.67 deg 2 (259 pointing) Wada et al. 2008, Takagi et al. 2012 Wide : 5.4 deg 2 (446 pointing) Lee et al. 2009; Kim et al. 2012 AKARI/IRC 9 filters (2-24µm)

Imaging with nine IRC wavebands (N2, N3, N4, S7, S9W, S11, L15, L18W, L24)

NEP-Wide 2µm 24µm CFHT/Mega-prime cam NEP-Deep 1 deg

PAH 8 deficit seen in pure star-forming galaxies (Murata et al. 2014) 0.3

これまでの研究成果の例（ Murata et al. 2014 ）。活動的銀河核（ AGN ）の寄与のきわめて 少ない天体（ SF ）について、星形成活動が非常に強いところで 8 m m 光度が相対的に下が ることを発見した。

Redshift dependence of the PAH deficit

Starburstiness Dusty AGN (candidates) are excluded; PAH deficit in intense starburst galaxies can be seen in all redshift