2023年3月30日

1. 島袋隼⼠（云南⼤学）
©NASA
現代宇宙論⼊⾨:21cm線で探る宇宙再電離期

2. 5・
2
1
c
m
線で探る宇宙再電離期

3. 現在の宇宙
©Hubble space telescope

4. 現在の宇宙
星、銀河で煌めく夜空
©Hubble space telescope

5. 過去の宇宙

6. 過去の宇宙
星や銀河が存在しない真っ暗な宇宙

7. 過去の宇宙
星や銀河が存在しない真っ暗な宇宙
真っ暗な宇宙はどのような過程を経て、現在の宇宙になっ
たのだろう？

8. ◯ダークマターが宇宙の物質中では⽀配的。
ダークハロー
銀河形成と進化①
◯ダークマターが重⼒によって集まってダークーハローを形成。
©竹内さん（名古屋大）

9. ダークハロー
初期星
◯ダークハロー内で、⽔素、ヘリウムを材料に初代星（ファーストスター）
が作られる。
銀河形成と進化②
◯初期星は超新星爆発によって、重元素を宇宙に撒き散らす。
©竹内さん（名古屋大）

10. ダークハロー 銀河
銀河形成と進化③
◯重元素が供給されると、星形成がより進⾏しやすくなるため、爆発的に
星形成が進み、銀河が形成される。
©竹内さん（名古屋大）

11. ダークハロー 銀河
◯ダークハローは他のダークハローと合体して成⻑する。
銀河形成と進化④
◯他のダークハロー内でも星形成が進み、銀河が形成される。
©竹内さん（名古屋大）

12. ダークハロー 銀河
銀河形成と進化⑤
◯ハローや銀河が合体し、より⼤きい銀河や、銀河の集合体（銀河団）を
形成する。
©竹内さん（名古屋大）

13. では、宇宙最初の星や銀河はいつ作られた？

14. 宇宙の歴史
現在
過去
https://universe-review.ca/
宇宙暗⿊時代（Dark Ages）・・・宇宙誕⽣約40万年後から、数億年後までの星や銀河の存在
しない真っ暗な時代
宇宙の夜明け(Cosmic Dawn)・・・宇宙最初の星や銀河が作られる (宇宙誕⽣数億年後)。そ
の後、現在の宇宙へと⾄る。現在の宇宙は約138億歳。
©国⽴天⽂台
ビッグバン（Bigbang）・・・宇宙誕⽣後、数秒から数分の間に⽔素やヘリウムなどの元素が
宇宙の⾄るところで作られる。この時の宇宙は⾼温・⾼圧。

15. 宇宙再電離
◯しかし、銀河から出てくる紫外線（UV）光⼦によってIGM
中の中性⽔素は電離（イオン化）させられる（再電離）
◯銀河と銀河の間に存在する銀河間物質（IGM)の⼤部分は⽔
素。ビッグバンの元素合成で⽔素がたくさん作られるから。
◯特に、初代星や初代銀河ができる前の⽔素は中性⽔素

16. （C)Kenji Hasegawa（Nagoya University）
Credit: M. Alvarez, R. Kae

17. （C)Kenji Hasegawa（Nagoya University）
Credit: M. Alvarez, R. Kae

18. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど⽔素
⽔素から出る光を観れば良い！
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア！初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。

19. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど⽔素
⽔素から出る光を観れば良い！
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア！初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。

20. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど⽔素
⽔素から出る光を観れば良い！
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア！初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。

21. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど⽔素
⽔素から出る光を観れば良い！
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア！初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。

22. 宇宙再電離をどうやって観測するか？
銀河間物質（IGM）はほとんど⽔素
⽔素から出る光を観れば良い！
宇宙再電離期は未だ観測されていない天⽂学のフロンティア！初代星
や初代銀河とも深い関係があるのでとても重要な時代。

23. 21cm線
○21cm線放射/吸収 : 中性⽔素原⼦の超微細構造によって21cm線
電波の放射/吸収が起きる。
z=8 : λ=(1+8)*0.21=1.89m , ν=159 MHz
z=27 : λ=(1+27)*0.21=5.8m , ν=51MHz
宇宙膨張で波⻑が伸びる

24. 21cm線

25. 21cm線

26. 中性⽔素から電波が出る！
つまり・・・
ということが重要。
21cm線

27. 21cm線（発展的内容）
•21cm線放射 :超微細構造によって、IGM中の中性⽔素は21cm線を放射する.
z=6 (EoR) → 1.5m or 202 MHz
z=20 (cosmic dawn) → 4.4m or 68MHz
電波 域!
IGM中の21cm線を使えば、中性⽔素の3次元分布を⾚⽅偏移に沿ってトモグラ
フィー的に観測できる
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 (21cm signal)
⾚ : 宇宙論 ⻘ : 天体物理

28. 21cm線で探る
21cm線を通して、銀河間物質の状態を知ることができる。
銀河間物質（IGM） 観測者
21cm線電波
電離していない（⽔素は中性）→21cm線が⾒える
電離している（⽔素はイオン化している）
→21cm線が⾒えない（というのが⾒える）

29. 再電離と21cm線
再電離期の銀河間物質（IGM）の状態を直接観測したい。
銀河間物質（IGM）の中性⽔素からの21cm線シグナル
宇宙初期の星形成や銀河形成の物理が分かる。
21cm線で観たIGM（シミュレーション結果）
イオン化率５０％ イオン化率80％
再電離領域
中性領域

30. 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。

31. 私のこれまでの研究活動
• 21cm線シグナル⾼次統計量（bispectrum、skewness）
• 機械学習を⽤いた21cm線シグナル解析の提案
• 21cm forestを⽤いた暗⿊物質の探査⽅法の提案
• ミンコフスキー汎関数を⽤いた再電離期のトポロジー解析
Arti
fi
cial Neural Network(ANN)
などなど

32. 要約
•暗 時代から再電離期に渡る宇宙の歴史はフロンティア
•21cm線はこれらの時期を探る強力なツール
•SKAは暗 時代から再電離の情報をもたらしてくれると
期待されている
•2020年代後半にSKAが起動予定。