2022/11/?
21cm線 ⽤ 宇宙再電離期探査
現状
島袋隼⼠（云南⼤学SWIFAR、名古屋⼤学）
電波 解析講習会, 2023/3/2

宇宙 歴史
©NAOJ
宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代
宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM（銀河間物
質）中 ⽔素 電離 ( ）.
z ∼ 6 − 15
宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( )
z ∼ 20 − 30

宇宙 歴史
©NAOJ
宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代
宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM（銀河間物
質）中 ⽔素 電離 ( ）.
z ∼ 6 − 15
宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( )
z ∼ 20 − 30

宇宙 歴史
©NAOJ
宇宙暗⿊時代・・・星や銀河の存在しない真っ暗な時代
宇宙再電離期・・・銀河 電離光⼦ IGM（銀河間物
質）中 ⽔素 電離 ( ）.
z ∼ 6 − 15
宇宙 夜明 ・・・初代星 初代銀河 誕⽣。 ( )
z ∼ 20 − 30
観測 ！！

©NAOJ
宇宙 歴史

©NAOJ
宇宙論的、天体物理学的 謎 詰 時代
（ 、 、初代星・銀河形成、
再電離 物理 ）
宇宙 歴史

JWSTの衝撃
Robertson et al (astro-ph/2212.04480)
Tacchella et al (astro-ph/2302.07234)
• 銀河（候補） 次々
⾒ 時代。
z > 10
• 銀河 、 分光
観測
z = 10.6
今、⾼⾚⽅偏移宇宙探査 熱 ！！

平均的な中性⽔素率の時間進化（グローバルヒストリー）
再電離期IGMへの観測的制限
(Naidu et al 2020)
IGMの平均中性率

平均的な中性⽔素率の時間進化（グローバルヒストリー）
再電離期IGMへの観測的制限
(Naidu et al 2020)
IGMの平均中性率
中性⽔素率のグローバルな進化しか分からない

陽⼦ 電⼦
21cm線放射（1.4GHz）
中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適
Singlet
Triplet
21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射
遷移
Tb =
TS T
1 + z
(1 exp(⌧⌫))
⇠ 27xH(1 + m)
✓
H
dvr/dr + H
◆ ✓
1
T
TS
◆ ✓
1 + z
10
0.15
⌦mh2
◆1/2 ✓
⌦bh2
0.023
◆
[mK]
輝度温度
⾚：宇宙論 ⻘：天体物理
21cm線輝線

陽⼦ 電⼦
21cm線放射（1.4GHz）
中性⽔素 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 IGM 調 適
Singlet
Triplet
21cm線輝線:中性⽔素 超微細構造 21cm線輝線 放射
遷移
Tb =
TS T
1 + z
(1 exp(⌧⌫))
⇠ 27xH(1 + m)
✓
H
dvr/dr + H
◆ ✓
1
T
TS
◆ ✓
1 + z
10
0.15
⌦mh2
◆1/2 ✓
⌦bh2
0.023
◆
[mK]
輝度温度
⾚：宇宙論 ⻘：天体物理
21cm線輝線

21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。
Liu & Shaw (2020)
21cm線 統計的 記述 ・・・
⾚⽅偏移
21cm線輝線

21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。
Liu & Shaw (2020)
21cm線 :全天 空間
平均 取 21cm線
21cm線 統計的 記述 ・・・
⾚⽅偏移
21cm線輝線

Liu & Shaw (2020)
21cm線輝線
⾚⽅偏移
21cm線 統計的 記述 ・・・
21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。

21cm線
h Tb(k) Tb(k
0
)i = (2⇡)3
(k + k
0
)P21
Liu & Shaw (2020)
21cm線輝線
⾚⽅偏移
21cm線 統計的 記述 ・・・
21cm線 使 、IGM中 中性⽔素 空間分布 。

再電離期のIGMの性質についてより詳しく知りたい。
（例）
•再電離モデルへの制限
•イオン化バブルの空間的性質（トポロジー等）や時間進化
•再電離源は何？
•銀河形成や進化と再電離の関係

再電離期のIGMの性質についてより詳しく知りたい。
そのためには、再電離期の銀河間物質を直接観測するのが良い。
（例）
•再電離モデルへの制限
•イオン化バブルの空間的性質（トポロジー等）や時間進化
•再電離源は何？
•銀河形成や進化と再電離の関係

再電離期のIGMの性質についてより詳しく知りたい。
そのためには、再電離期の銀河間物質を直接観測するのが良い。
（例）
•再電離モデルへの制限
•イオン化バブルの空間的性質（トポロジー等）や時間進化
•再電離源は何？
•銀河形成や進化と再電離の関係
✕
ALMAやJWST、すばる望遠鏡などの銀河観測とも相補的！

再電離期のIGMの性質についてより詳しく知りたい。
そのためには、再電離期の銀河間物質を直接観測するのが良い。
（例）
•再電離モデルへの制限
•イオン化バブルの空間的性質（トポロジー等）や時間進化
•再電離源は何？
•銀河形成や進化と再電離の関係
✕
ALMAやJWST、すばる望遠鏡などの銀河観測とも相補的！

Greig & Mesinger (2016), Park + (2018)
•ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース
ペクトルから再電離パラメータ推定
Park et al 2018
21cm線 観測 何 分

Greig & Mesinger (2016), Park + (2018)
•ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース
ペクトルから再電離パラメータ推定
•21cm線⾼次統計量（bispectrum, higher moment）
Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015)
Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018),
Park et al 2018
21cm線 観測 何 分

Greig & Mesinger (2016), Park + (2018)
•ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース
ペクトルから再電離パラメータ推定
•機械学習を⽤いた21cm線シグナルからの情報
抽出
Shimabukuro & Semelin (2017), Kern+(2017), Schmit + (2018)
•21cm線⾼次統計量（bispectrum, higher moment）
Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015)
Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018),
Park et al 2018
Shimabukuro & Semelin (2017)
21cm線 観測 何 分

Greig & Mesinger (2016), Park + (2018)
•ベイズ統計学(MCMC)を⽤いて21cm線パワース
ペクトルから再電離パラメータ推定
•機械学習を⽤いた21cm線シグナルからの情報
抽出
Shimabukuro & Semelin (2017), Kern+(2017), Schmit + (2018)
•21cm線⾼次統計量（bispectrum, higher moment）
Shimabukuro + (2015,2016,2017), Yoshiura + (2015)
Watkinson + (2017,2022), Majumadar + (2018),
統計的アプローチで再電離モデルへの制限
Park et al 2018
Shimabukuro & Semelin (2017)
21cm線 観測 何 分

•再電離源と21cm線シグナル (e.g.) Iliev+ (2012), Kulkarni+ (2017)
Kulkarni+ (2017)
21cm線 観測 何 分

•再電離源と21cm線シグナル
•銀河形成と再電離
銀河形成・進化が再電離に
与える影響を評価
(e.g.) Iliev+ (2012), Kulkarni+ (2017)
Kulkarni+ (2017)
(e.g.) Hutter+ (2017,2021), DRAGONS
simulation, TESAN simulation
Hutter+ (2017)
銀河からの脱出光⼦
21cm線 観測 何 分

21cm線 観測 何 分

•ミンコフスキー汎関数（体積や表⾯積、ジーナス等）
(e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011),
Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019)
Chen + (2019)
21cm線 観測 何 分

•ミンコフスキー汎関数（体積や表⾯積、ジーナス等）
•Granulometry法（粒度分析、サイズ分布）
(e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011),
Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019)
Kakiichi + (2017)
Chen + (2019)
21cm線 観測 何 分

•ミンコフスキー汎関数（体積や表⾯積、ジーナス等）
•位相幾何学的アプローチ
（ベッチ数）
•Granulometry法（粒度分析、サイズ分布）
(e.g.) Gleser + (2006), Lee +(2008), Friedrich + (2011),
Hong + (2014), Yoshiura + (2017), Chen + (2019)
(e.g.) Giri + (2021), Kapahtia + (2021)
Kakiichi + (2017)
Chen + (2019)
Giri + (2021)
再電離期IGMの空間的（幾何学的）特徴を定量的
に評価
21cm線 観測 何 分

Bouman et al 2018
21cm線観測最前線
•2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当
⾼⾚⽅偏移21cm線初観測！ 、 ・・・
Singhʼs slide

Bouman et al 2018
21cm線観測最前線
•2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当
⾼⾚⽅偏移21cm線初観測！ 、 ・・・
• 、 検出 本当 ・・・
Singhʼs slide

Bouman et al 2018
21cm線観測最前線
•2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当
⾼⾚⽅偏移21cm線初観測！ 、 ・・・
• 、 検出 本当 ・・・
1.未知 物理（ 相互作⽤ 、Barkana 2018, Fialkov
& Barkana 2018 ）
Singhʼs slide

Bouman et al 2018
21cm線観測最前線
•2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当
⾼⾚⽅偏移21cm線初観測！ 、 ・・・
• 、 検出 本当 ・・・
1.未知 物理（ 相互作⽤ 、Barkana 2018, Fialkov
& Barkana 2018 ）
2.未知 天体物理学（過剰 背景電波源 、Fialkov & Barkana 2019, Reis et al
2020 ）
Singhʼs slide

21cm線観測最前線
Singhʼs slide
• 、 検出 誤 ・・・
前景放射 差 引 系統誤差 評価 不⼗分 （Hills et al 2018,
Singh & Subrahmanyan 2019）
(個⼈的 考 ⽅ ⼈ 多 様 感 )
Bouman et al 2018
•2018年、EDGES 21cm線 検出 報告。 本当
⾼⾚⽅偏移21cm線初観測！ 、 ・・・

21cm線観測最前線
•⼀⽅、SARAS3 EDGES 様 信号 検出 報告
（Singh et al 2022）
•SARAS3 EDGES 結果 相関 、correlation ⻘ 分布 。相関 無
⾚ 分布 。観測結果 0.12(⾚ 分布 consistent)

21cm線観測最前線
•⼀⽅、SARAS3 EDGES 様 信号 検出 報告
（Singh et al 2022）
•SARAS3 EDGES 結果 相関 、correlation ⻘ 分布 。相関 無
⾚ 分布 。観測結果 0.12(⾚ 分布 consistent)
論争 現在 続 、決着
第三 観測 必要！！

MWA LOFAR HERA
GMRT
21cm線観測最前線
•21cm線 観測 ⽬指 電波⼲渉計 現在、
世界中 運⽤中。
•⽇本 MWA 参加中（吉浦、⾼橋、伊東 ）
•21cm線 観測 独⽴

現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線
上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値
困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射
Shimabukuro et al 2022
21cm線観測最前線

現在、MWA、LOFAR、HERA 観測 進 、21cm線
上限値 与 。 、理論予想 2,3桁⼤ 値 上限値
困難:電離層、RFI(⼈⼯電波)、前景放射
Shimabukuro et al 2022
21cm線観測最前線

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
HERA collaboration 2022b

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
HERA collaboration 2022b

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
HERA collaboration 2022c

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
HERA collaboration 2022c

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
•⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関
、 厳 制限 得 。
HERA 得
事後分布
HERA collaboration 2022c

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
•⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関
、 厳 制限 得 。
場合 関係
HERA 得
事後分布
•⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、
X線光度 ⾼ 。
HERA collaboration 2022c

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
•⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関
、 厳 制限 得 。
場合 関係
HERA 得
事後分布
•X線光度 ⾼ →⾦属量 低 。 、
初代銀河 ⾦属量 低 。 事 理論的
予想 、実際 観測的 ⽰
意義 ⼤ 。
•⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、
X線光度 ⾼ 。
HERA collaboration 2022c

21cm線観測最前線
•HERA 天体物理学的 制限。多 HERA 有無
制限 変化 、銀河光度関数 Lyman-alpha forest, CMB観測 制限
⼤ 。 ・・・
21cm線 使 天体物理学 時代 ⾜⾳ 聞 。
•⾼⾚⽅偏移銀河 X線光度 星形成率 ⽐ 関
、 厳 制限 得 。
場合 関係
HERA 得
事後分布
•X線光度 ⾼ →⾦属量 低 。 、
初代銀河 ⾦属量 低 。 事 理論的
予想 、実際 観測的 ⽰
意義 ⼤ 。
•⾼⾚⽅偏移銀河 、 銀河 ⽐ 、
X線光度 ⾼ 。
HERA collaboration 2022c

21cm線観測 未来
•2027年 ⼤型電波⼲渉計SKA 本格的 観測 開始予定。

•現在、観測 ⾏ 望遠鏡 、21cm線 統計的検出 ⽬指
、SKA 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 21cm線 （空間分布）
観測 可能 。
21cm線観測 未来
包 宇宙 歴史 「写真撮影」 ！

FARSIDE
Lunar Crater Telescope
“We choose to go to the moon”
-J.F. Kennedy(1962)
⽉ ・・・
鸿蒙计划
•2030年代、2040年代 電波天⽂学 ⽉⾯望遠鏡、⽉軌道
衛星 ⽤ 「Lunar Radio Astronomy」 時代 ？
•⽉ 、低周波電波観測 邪魔 電離層 RFI 影響
抑 。
•天体 存在 暗⿊時代 宇宙論探査 使
。

⽉進出に向けて
•今年、新たに新しい⽇本⼈宇宙⾶⾏⼠候補
が2名誕⽣。彼らは、アルテミス計画で、⽇
本⼈として初めて⽉⾯に⽴つかもしれな
い。
•SKA、そしてその先の⽉⾯での天⽂
学に向けて、データ解析できる⼈材は
これからますます重要になってくる。
• 計画 、実際 ⽉⾯ 活動 ⾒据
動 始 。
（⽇本 ⼈材 少 、
狙 ⽬！？）

既 PASJ 読 。
詳 知 場合・・・

頭 ⽚隅 ⼊
• 宇宙暗⿊時代 宇宙再電離期 宇宙 歴史 中 包
• 21cm線 使 、 時代 理解
• 既 21cm線検出 向 観測 始 、 将来観測
SKA計画 動 。
• 将来 ⽉ 舞台 低周波電波天⽂学 計画
• 来 新時代 低周波電波天⽂学 、 触 解析
⼈材 重宝 （ 繋 ！？）。 、
！