Transcript 6.4 ハッブル・ディープフィールド

第10章 遠方銀河の探査
確認された「宇宙最遠方天体」の時代変化
ハッブルディープ
フィールド(1995)
すばる
?
ハッブルディープフィールドまでは
ほとんどクエーサーか電波銀河
可視光で見つか
る銀河が増えた
10.1 ハッブル宇宙望遠鏡のインパクト
ハッブル宇宙望遠鏡
(Hubble Space Telescope : HST)
ディスカバリーにて打ち上げ
1990.4.24 8:33am
HST
ピンぼけなど大修理 (1993年12月）
Servicing Missions
1993.12 SM-1 大改修、光学系改修
COSTAR, WFPC2
1997.2 SM-2 観測装置更新 NICMOS, STIS
1999.12 SM-3A ジャイロ交換など
2002.3 SM-3B 観測装置更新 ACS, NICMOS改修
2008.10 SM-4 (last SM); decision made on 2006.10
2009.5 SM-5 SM-4で完了しなかった作業 WFC3
New Gyros and Batteries
HST will last till 2013
The Hubble Deep Field
http://www.stsci.edu/ftp/science/hdf/hdf.html
観測: 1995年12月18-30日 （ 所長留め置き時間）
所長：Bob Williams
HDF:
赤経 12:36:49.4
(J2000)
赤緯 +62:12:58
+ Flanking Fields
------------------------------------------------------------------
フィルター フレーム数 露出時間 限界等級
（秒） (AB mag; 10σ)
------------------------------------------------------------------
F300W
F450W
F606W
F814W
77
58
103
58
153700
120600
109050
123600
26.98
27.86
28.21
27.60
------------------------------------------------------------------
506950秒=140.8時間
Williams et al. 1996, AJ, 112, 1335.
~8’
ハッブルディープフィールド
(Hubble Deep Field: HDF)
満月の大きさ
Hubble Deep Field
1996年公開
露出時間 約140時間（約6日)
約3000個の銀河
（銀河系の星は10個程度）
いろんな距離
の銀河が重
なって見えて
いる
Hubble Deep Field
1996年公開
露出時間 約140時間（約6日)
約3000個の銀河
（銀河系の星は10個程度）
いろんな距離
の銀河が重
なって見えて
いる
数字はKeck
望遠鏡による
赤方偏移
近傍宇宙にはあま
り見られない不規則
な形の銀河がたくさ
ん見られる
ようやく銀河の揺籃
期にたどりついた？
Van den Bergh et al. 1996, AJ, 112, 359
HDF以前の High-z Galaxiesの探査
確認された「宇宙最遠方天体」の時代変化
・Guhathakurta, Tyson, Majewski, S. R.
1990, ApJ. 357, L9
faint blue galaxiesの色からhigh-z
galaxies を見つけられる
・ Steidel et al. 1995, AJ, 110, 2519
“Searches for galaxies at z> 3 have been
spectacularly unsuccessful up to now,
given the efforts devoted to the quest.
Two main techniques employed have
each come across difficulties which were
largely unforseen at the outset.”
- deep imaging
- search for Lyman alpha emission
(blank sky and known QSO)
・ Steidel et al. 1996, ApJ, 462, L17 (received: Dec. 1995)
“Spectroscopic Confirmation of a Population of Normal Star-forming
Galaxies at Redshifts z> 3” (19 z>3 galaxies)
・ Steidel et al. 1996, AJ, 112, 352 (received: Mar. 1996)
“Spectroscopy of Lyman Break Galaxies in the Hubble Deep Field”
Drop Out Technique: Color Selection
Star-forming galaxy
at z=3.151
QSO at z=3.295
Steidel et al. 1995, AJ, 110, 2519.
HDFのインパクト
Rest-frame
λ=912 Å
U-B vs B-V for z~3 LBGs
Dickinson 1997, Proc. STScI symp.
z>3の normal galaxies
の探し方が分かった!
10.2 高赤方偏移銀河の探し方
Stern and Spinrad 1999, PASP, 111, 1475-1502
(invited review)
We review the systematic observational techniques used to identify galaxies at
early cosmic epochs. In the past few years, the study of normal, star-forming
galaxies at z>3 has become possible ; indeed, successful methods have been
developed to push the frontier past z=5. We are now directly observing
individual galaxies within a Gyr of the big bang. We present a detailed review of
the many search methods used for identifying distant galaxies, consider the
biases inherent in different search strategies, and discuss early results of these
studies. We conclude with goals for future studies at the start of the 21st century.
8. CONCLUSIONS AND THOUGHTS FOR THE NEW
MILLENNIUM
Progress in the field of distant galaxies has been rapid.
Young, star-forming galaxies have been located by several
means, and studied from space and the ground to
magnitudes as faint as V=28 and redshifts as large as z=5.7,
perhaps to even z=6.7 or higher. A population of faint, dusty
galaxies has been detected in the sub-mm region; their
redshift distribution remains uncertain for now.
（中略 HSTがprotogalaxy candidatesを見つけた）
The last review of the subject of primeval galaxies in this
journal, only 5 years ago, was largely a census of nondetection
limits and a discussion of theoretical expectations of the
predicted widespread population of young galaxies at high
redshift (Pritchet 1994). The field is expanding so fast now that
this review will be largely outdated at the time of press.
3. SEARCHES AT NONOPTICAL WAVELENGTHS
3.1. High-Redshift Radio Galaxies
3.2. Submillimeter Detections of Distant Galaxies
3.3. Luminous Infrared Galaxies
3.4. X-Ray Emission Associated with Distant Galaxies
3.5. Gamma-Ray Bursts
3.6. Summary
High-redshift sources identified at nonoptical/near-infrared
wavelengths therefore provide an important, albeit skewed,
view of galaxy formation, typically selecting unusual
sources with powerful active nuclei or systems undergoing
massive bursts of star formation.
Recently several optical/near-infrared techniques have
proved successful at isolating the "normal" population of
distant galaxies. We discuss these methods below.
4. OPTICAL/NEAR-INFRARED SELECTION OF
DISTANT GALAXIES
4.1. Lyman-Break Galaxies
4.2. Photometric Redshifts
4.3. Emission-Line Searches for Distant Galaxies
4.4. Serendipitous Long-Slit Searches (Fig.8)
長いスリット
スペクトル (4600Å-5800Å)
たまたま輝線のみ
受かった銀河1
z=3.022
星（銀河?)
z=3.299
目標銀河
たまたま輝線のみ
受かった銀河2
z=3.357
Manning et al. 2000, ApJ, 537, 65
4.5. Narrowband Spectroscopy
4.6. Targeted Searches
（遠方のクェーサーの周辺の銀河を探す）
10.3 Photometric Redshift
（測光的赤方偏移）
Photometric Redshift （測光的赤方偏移）
多くのバンドの測光値に（最小自乗法で）最も合うよう
な銀河のSEDから求められる赤方偏移(zphot)のこと ・ Baumによる提案
(IAU Symp., 15, 390, 1963)
・ Loh & Spillar による先駆的
な仕事 (ApJ, 303, 154, 1986)
HDFにより、最大口径 (Keck
10m) の地上望遠鏡でも分光で
きないほど暗い銀河が観測さ
れてようやく注目の的となった。
現在の遠方銀河の
研究には必須の道具
Template SEDs
Kodama & Arimoto model による
Furusawa et al. 2000, ApJ, 534, 624.
測
光
的
赤
方
偏
移
分光による赤方偏移
Furusawa et al. 2000, ApJ, 534, 624.
10.4 ライマンブレイク銀河 (LBGs)
とライマンα輝線銀河 (LAEs)
高赤方偏移 (z>3) 銀河の代表例
ライマンブレイク銀河 (LBGs)
ライマンα輝線銀河 (LAEs)
この分類は銀河の本質によるものではなく、
検出の手法の違いによるもの
これらの銀河の、本質、形態、相互関係および現在の銀河
との関係は現在の重要研究課題
（両者とも星形成活動が盛んな銀河）
LAEsはLBGsに比べて、less massiveでよりmetal poor
である証拠が出てきている
すばる望遠鏡が世界の最先端と競い合っている分野
Lyman Break Galaxies (LBGs)
Yoshida, SO et al. 2006, ApJ, 653, 988
Rest-frame
λ=912 Å
ライマンブレイクを
挟むフィルター
Subaru (Suprime-Cam) Filters
B-R vs R-i’ for z~4
Drop out
Color Selection
V-i’ vs i’-z
R-i’ vs i’-z
for z~5
for z~5
ライマンブレイクより
長波長であることを確
認するフィルター
Color Selection for z~4 LBGs
Star forming galaxy with
E(B-V)=0, 0.16, 0.3
Yoshida, SO et al. 2006, ApJ, 653, 988
SDF: Subaru Deep Field
境界線
stars
分光観測
によるz
Local Elliptical
(at z=0-3)
Local Spiral
(at z=0-3)
Local Irregular
(at z=0-3)
Luminosity Function of LBGs
Yoshida, Shimasaku, S.O., SDF team et al. 2006, ApJ, 653, 988
Z = 0 - 6にわたる
光度関数の進化
z>5 でLBGが
減り始める
従来より圧倒的に
多数のサンプル
4500 z~4 LBGs
800 z~5 LBGs
bright
faint
Lyman α Emitters (LAEs)
NB816 filter
狭帯域フィルターを
用いた探査
連続光がほとんど受か
らなくても検出可能
（Ajiki et al. 2003, AJ, 126, 2091
cf. ライマンブレイク銀河
LAEsの探査: 狭帯域フィルター
広帯域フィルター
狭帯域フィルター
NB816
強度/透過率
NB912
NB711
夜光輝線
波長
Z=4.8
Z=5.7
Z=6.5
夜光(OH emissions)の谷間をねらう
ターゲットとなる赤方偏移は任意に選べない
Selection of z~5.7 LAE candidates
QSO SDSSp J104433.04-012502.2 at z=5.74 の周辺
（Ajiki et al. 2003, AJ, 126, 2091
Low-z Emitters を除くには二色図を用いる
Subaru Deep Survey. II. Luminosity Functions and Clustering Properties of Lyα
Emitters at z=4.86 in the Subaru Deep Field, Ouchi, SO et al. 2003, ApJ, 582, 60
Young SF gal +
Lyα at z=4.86
nearby SB
gals (z<1.2)
IGM吸収
0.5
1
1.5
stars
0.5
E, S, Irr
(0<z<2)
1.0
LBGs
赤方偏移z=4.86 における
LAEsの大規模構造
43 LAE 候補天体 in SDF
(全体で34653天体；
偽物混入率 ~ 20%)
極めて非一様な分布
原始銀河団？
密度超過 ~ 2
ダークマターとLAEsの間の
バイアスは大きい: b~6
(Shimasaku, SO et al., 2003, ApJ, 586, L111)
赤方偏移 z~5 にある二つのスライス
4.79
赤方偏移: +/-0.04
3.3億光年
100Mpc
二つの狭帯域フィルター
4.86
+/-0.03
距離の差= 39 Mpc/h70
55Mpc
1.8億光年
39Mpc
1.3億光年
赤方偏移 z~5 にある二つのスライス
4.79
赤方偏移: +/-0.04
3.3億光年
100Mpc
二つの狭帯域フィルター
4.86
+/-0.03
距離の差= 39 Mpc/h70
55Mpc
1.8億光年
39Mpc
1.3億光年
赤方偏移 z=5.7のLAEsの大規模構造
広い天域
（SXDF field）
NB816 (z=5.7)
305,012 天体から
515 LAE 候補天体を検出
(偽物混入率 推定~30%)
分光観測 (2003 Dec.) の結果
19/22 (86%) are LAEs at z=5.7
z>2 において
100 Mpcより広い
領域を調べた最初
の宇宙地図
（Ouchi, SO et al. 2005, ApJ, 620, L1）
10.5 その他の高赤方偏移銀河
SMG: submillimeter galaxy (1.5<z<4？)
DRG: Distant Red Galaxies (z>2)
BzK Galaxies (1.4<z<2.51)
BM, BX: (1<z<3)
SMG: submillimeter galaxy
可視光では全く見えないが、サブミリ波
で強い放射を出す。ダストに覆われた
活発な星生成銀河(ULIRG at high z?)
赤方偏移分布はまだ完全にはわかっ
ていないが2<z<4？
銀河進化の鍵を握る種族。
ダストの熱放射エネルギー源としての
AGNの寄与の解明も今後の課題
サブミリ波
DRG: Distant Red Galaxies (z>2)
A Significant Population of Red, Near-Infrared-selected High-Redshift
Galaxies, Franx et al. 2003, ApJ, 587, L79
J-K>2.3
なら z>2
Single-burst population
formed at z=5
100 Myr, E(B-V)=0.5
Continuous star
formation models
1 Gyr, E(B-V)=0.15
Single-age
populations
BzK Galaxies
A New Photometric Technique for the Joint Selection of Star-forming and
Passive Galaxies at 1.4<z<2.51, Daddy et al. 2004, ApJ, 617, 746
Z=1.729 galaxy
(BC03 model)
Fλ
Fν
s-BzK
p-BzK
BM Galaxies, BX galaxies
Optical Selection of Star-forming Galaxies at Redshifts 1 < z < 31
Aderberger et al. 2004, ApJ, 607, 226
10.6 ハッブル宇宙望遠鏡による探査
Deep Galaxy Surveys by HST
HDF: Hubble Deep Field (1996)
2.7x2.7 sq. arcmin; 4 bands, exp.= 5.9 days
Williams et al. 1996, AJ, 112, 1335
HUDF: Hubble Ultra Deep Field (2004)
3.3x3.3 sq. arcmin; 3 bands+1 IR band, exp.=11.3.days
http://www.stsci.edu/hst/udf
GOODS: Great Observatory Origins Deep Survey
320 sq. arcmin (two fields); multi-wavelength
Giavalisco, M., et al. 2004a, ApJ, 600, L93
GEMS: Galaxy Evolution from Morphology and SED
800 sq. arcmin; 2 bands
Rix et al. 2004, ApJS, 152, 163
COSMOS: Cosmic Evolution Survey
2-sq. deg; 2 bands
http://www.astro.caltech.edu/~cosmos/index.html
CANDELS: The Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic
Legacy Survey
GRAPES: Grism ACS Program for Extragalactic Science
Pirzkal et al. 2004, ApJS, 154, 501
The Hubble Deep Field
復習
http://www.stsci.edu/ftp/science/hdf/hdf.html
観測: 1995年12月18-30日 （ 所長留め置き時間）
所長：Bob Williams
HDF:
赤経 12:36:49.4
(J2000)
赤緯 +62:12:58
+ Flanking Fields
------------------------------------------------------------------
フィルター フレーム数 露出時間 限界等級
（秒） (AB mag; 10σ)
------------------------------------------------------------------
F300W
F450W
F606W
F814W
77
58
103
58
153700
120600
109050
123600
26.98
27.86
28.21
27.60
------------------------------------------------------------------
506950秒=140.8時間
Williams et al. 1996, AJ, 112, 1335.
~8’
ハッブルウルトラディープフィールド(HUDF)
新しいACS (Advanced Camera for Surveys) により撮影
2004/3/15 公開
総露出時間 100万秒=約12日
z=7-12（4ー7億歳の宇宙）にある銀河
http://www.stsci.edu/hst/udf
Great Observatories Origins Deep Survey
(GOODS)
NASAのGreat
Observatories
4つのうち３つは稼働中
Spitzer, HST, Chandra
XMM-Newton +
Ground-based Telescope
(NOAO, ESO)
Deep survey
http://www.stsci.edu/science/goods/
http://www.eso.org/science/goods/
Hubble Deep Field North
+ Chandra Deep Field South
(~300 square arcmin)
2002.8 ～
GOODSの主目的は
銀河の進化の解明
Spitzer Legacy Program
(PI: Mark Dickinson)
~300 sq. arcmin
約45日間隔で
何度も撮影
HST Treasury Program
(PI: Mauro Giavalisco )
遠方のSN Iaの探査にも大きく貢献
(Riess et al. 2004, ApJ, 607, 665)
Galaxy Evolution from Morphology and SEDs
(GEMS)
Rix et al. 2004, ApJS, 152, 163
Cosmic Evolution Survey (COSMOS)
http://www.astro.caltech.edu/~cosmos/
・ 2 平方度を ACS (Advanced Camera for Surveys)で撮影
・ 2年間で10% (640 orbits) のHST time (Cycles 12 and 13)を使用
・ 他の天文台の協力： Subaru, VLA, VLT, XMM-Newton, UKIRT, etc
・ Almost 100 scientists in a dozen countries.
HSTによる前例のない広視野サーベイ
分解能と視野を兼ね備えたところが最大の特徴
large scale structure (LSS) in the universe
formation of galaxies, dark matter, and
nuclear activity in galaxies.
PI: Nick Scoville,
Japan Program PI: Yoshiaki Taniguchi
ApJS, 172, 2007 はCOSMOSの初期成果の特集号
COSMOS field (1.4x1.4=2平方度)
なぜ2平方度必要なのか
http://irsa.ipac.caltech.edu/data/COSMOS/
すばるSuprime-Camによる観測
B(70分),g'(86),V(50),r'(36),i'(40),
z'(64),NB816(188)
たまたま見つかったもの
galaxy threshing
Sasaki, S.S. et al.
2007, ApJS, 172, 511
CANDELS: The Cosmic Assembly Near-infrared
Deep Extragalactic Legacy Survey
Hubble Multi-Cycle Treasury Program の一つとして採択された
Grogin, N. et al. 2011 arXiv1105.3753 （100人を越える大チーム）
二つのプロポーザル(PI: Ferguson, PI: Faber) をmerge した
HSTのWFC3カメラ（midUV-NIR: 200nm-1.7μm）
5領域の>250000銀河（1.5<z<8）を観測
SN Ia at z>1.5 も観測してその standard candle としての精度を検証
WFC3/IR 2-orbit image (H band)
ACS 4-orbit image (I band)
WFC3: New Powerful Camera
Efficient for surveys of high-z (z>7) galaxies
UVIS channel
(162”x162”,
0.04”/pix)
http://www.stsci.edu/hst/wfc3/design/
2009.5 SM-5 SM-4で完了しなかった作業 WFC3
IR channel
(123”x136”,
0.13”/pix)
Star-forming galaxies at z≈ 8-9 from Hubble Space Telescope/WFC3:
implications for reionization, Lorenzoni et al. 2011, MNRAS, 414, 1455
The contribution of high-redshift galaxies to cosmic reionization: new results from
deep WFC3 imaging of the Hubble Ultra Deep Field, Bunker et al. 2010, MNRAS,
409, 855
Large area survey for z = 7 galaxies in SDF and GOODS-N implications for
galaxy formation and cosmic reionization, Ouchi, SO et al. 2009, ApJ, 706, 1136
Cosmic Dawn (CD): Formation and early evolution of galaxies and AGNs (z=6-8)
Cosmic High Noon (CN): The peak of star formation and AGN activity (z~2)
Ultraviolet Observations (UV): Hot stars at 1 < z < 3:5
Supernovae (SN): Standardizable candles beyond z >1
それぞれの時期で明確な科学目標を設定
Grism ACS Program for Extragalactic Science
(GRAPES)
Grism
= Grating + Prism
ACS G800L mode:
Slitless spectroscopy(λ5500-10500A)
R=100 (40A/pixel)
point source : FWHM ~ 1.5 pixel
Tile 23 of GOODS-S
Pirzkal et al. 2004, ApJS, 154, 501.
High-z galaxies at
4<z<7
GRAPES Spectra の例
hot star, i=19.13
cool star, i=19.17
hot star, i=20.00
E gal. at z~0.6, i=21.53
SF gal. at z~0.66, i=23.32
SF gal., i=22.30
SF gal., i=23.45
SF gal., i=25.86
LBG at z~5.8, i=26.83
Faint cont. source near
det. limit, i=27.17
10.7 すばるSuprime-Cam用グリズム
（補足資料）
すばるSuprime-Cam全面覆うGrismの製作
これは2007/6/13の試験観測で得られたデータ(M57)
分散方向を90度変えて撮影した同じ視野の画像
輝線
この二つから、天体
のスペクトルを抽出し
て左図のように表示
するソフトを開発
大野貴博 修士論文
2010.3