研究内容

初代星・初代銀河・SMBH、フィードバックの物理

宇宙最初の星はビッグバンからおよそ１億年ほど経った頃に誕生し、それに続いて初代銀河、超巨大ブラックホールが形成したと考えられています。これら宇宙最初期の天体形成は、宇宙最電離を促す重要過程であり、現在の宇宙の基盤を築くものです。そこで我々は初代星、初代銀河、そして超巨大ブラックホールがどのように生まれたのか理解すべく理論・観測の双方から研究しています。

理論研究として主にスーパーコンピュータを用いた多様な流体シミュレーションを行なっています。超新星爆発や活動銀河核といったフィードバック効果を考慮した宇宙論的構造形成シミュレーションを実施し、バリオンとダークマターの質量集積から初代銀河の形成に至る過程を調査しています。シミュレーション結果に基づいて、初代銀河の形成頻度や性質、そして将来観測の可能性などが議論されています。また、初代銀河を構成する個々の星やブラックホールの質量成長過程を理解するため高解像度のズームインシミュレーションを行なっています。初代星の質量分布とその死後残されるブラックホールの成長速度を理解することで、宇宙最初の超巨大ブラックホールが形成される過程を明らかにしようとしています。

一方で、観測面ではこれまでのすばる望遠鏡やHSTによる成果を礎に、現在JWSTによってより深い宇宙の銀河形成や超巨大ブラックホールの形成が議論されています。そして、次世代の超大型望遠鏡であるELTが２０２０年代後半に稼働することで、いよいよ初代銀河や初代ブラックホールと呼べる天体が直接観測される可能性が高まります。ELTはその高い集光力と補償光学による高空間解像度により、遠方銀河の詳細な内部構造も明らかにすると期待されています。我々は国際先導の枠組みにおいて、理論・観測の垣根なく対話し、ELT時代の遠方宇宙探査がより実りあるものになるよう最善の準備を進めています。

銀河形成〜原始銀河団

構造形成の進展とともに銀河は成長し、ビッグバンからおよそ30億年後に宇宙の星形成活動は最盛期を迎えます。また、このころには現在の宇宙における銀河団の前駆体にあたる原始銀河団も形成されます。原始銀河団は他の領域と比べて特に活発な星形成活動がみられ、銀河形成を理解するための鍵となる領域と言えます。

理論研究としては、スーパーコンピュータを用いた宇宙論的構造形成シミュレーションによって原始銀河団の形成過程を調査しています。原始銀河団は宇宙の中で特に密度の高い希少な領域であるため、十分大きい計算領域を確保し、その中で原始銀河団領域を高解像度で分解するズームインシミュレーションを実施しています。フィードバックや超大質量ブラックホールの物理を組み込んだシミュレーションによって、原始銀河団における銀河の星形成活動とそれに伴う化学汚染や超大質量ブラックホールの成長、活動銀河核フィードバックを理解しようとしています。

観測面では、すばる望遠鏡や ALMA などを使った多波長観測によって、原始銀河団を含む大規模フィラメント構造の中で銀河集団・冷たいガス・活動銀河核がどのように分布し、どこで星形成が加速しているのかを調査しています。これらの観測から、原始銀河団コアやそれに接続するフィラメント領域で銀河の成長と星形成が強化されていることが示されています。また、将来の銀河団中心に形成される超大質量ブラックホールの成長段階にあると考えられる活動銀河核の姿も捉えられています。

このような原始銀河団研究を理論・観測の両面から推進することで、今後の JWST・ELT による遠方原始銀河団観測戦略の立案にも重要な指針が与えられます。こうした取り組みを通じて、原始銀河団におけるガス供給・星形成・ブラックホール成長を結び付けた統一的理解を目指しています。

銀河団〜宇宙大規模構造

階層的構造形成理論では、宇宙では小さい構造から先に形成され、徐々にそれが重力で集積し、銀河や銀河団を形成すると考えられています。そして最終的には宇宙大規模構造と呼ばれる網目構造の巨大な構造が形成されます。

宇宙大規模構造には、宇宙の進化の過程を紐解く重要な情報が多数含まれています。例えば銀河のクラスタリング(集積度)の強弱には宇宙の加速膨張に関する情報が含まれていますし、クラスタリングの信号の中のバリオン音響振動のピーク位置から宇宙の幾何学を決定することができます。さらにクラスタリングの非等方性から重力理論に関する知見を得ることも可能です。

また宇宙大規模構造の進化においては重力が支配的な役割を担いますが、宇宙の中で重力が働く構成要素のうち約85%がダークマターと呼ばれる、光では観測できない謎の物質です。重力レンズ効果を用いることで、直接観測できないダークマターを間接的に観測することができます。

我々はこれまですばる望遠鏡のHSC(Hyper Suprime Cam)のサーベイデータを用いて、重力レンズ効果の解析を行なってきました。我々の結果は米国の主導するDark Energy Survey (DES)や欧州主導のKiDSサーベイと並んで、宇宙論モデルに制限を与えています。この経験を生かし、次のステージであるVera Rubin天文台のLSSTや、Nancy Grace Roman、Euclidなどの宇宙望遠鏡ミッションと協力し、更に精緻な宇宙論モデルの検証を行います。

主にアリゾナ大学、CCAと協力し、様々なレベルの解析パイプラインや解析手法の開発に取り組みます。

装置開発

ELT MORFEO 反射鏡の製作組み立て：

MORFEO は、欧州南天文台がチリに建設中のELT 望遠鏡に搭載される補償光学装置です。補償光学技術は、地球大気の乱流が作り出す星像の歪みをリアルタイムに補正することで、地上の大型望遠鏡の光学性能を最大限に引き出したシャープなイメージング観測を可能にします。MORFEO は、近赤外線カメラ・分光器であるMICADO と連携することで、宇宙望遠鏡を遥かに凌駕する解像度で遠方宇宙の天体の構造を明らかにします。私たちはこのMORFEO の開発において、大型の反射鏡およびレンズの製作を担っています。この開発で用いられる高精度な鏡面計測・加工技術は、国際先導の枠組みを超えて、TMT望遠鏡をはじめとする次世代大型装置開発にも適用できる重要な要素技術です。

ULTIMATE WFI中間帯域フィルターの製作：

ULTIMATE WFI は、すばる望遠鏡の次世代の広視野近赤外線撮像装置です。地表層補償光学の技術により、マウナケア山という世界屈指の観測サイトの星像をさらに２倍シャープにした観測を、広い視野にわたって実現します。このWFI に対して私たちは、近赤外線の波長帯域である1-2.5um を９個に分割した中間帯域光学フィルターを開発して搭載します。決められた波長の光のみを透過させることで、特定の赤方偏移の宇宙に存在する天体を精度よく検出することが可能になります。広視野、高解像度、波長フィルターによって達成される高い観測効率で、宇宙の星形成活動が最も活発だった時代の銀河・銀河団をサーベイ観測することで、銀河がどのように星質量を獲得しその形態を形作ってきたかを統一的に理解しようとしています。

HSC 中間帯域フィルターの製作：

すばる望遠鏡の主焦点に取り付けられているHSCカメラには多数の光学フィルターを装着することができます。HSCのようなイメージング観測において、観測された銀河の波長方向の情報を取り出すために、決められた波長の光だけを透過させる光学フィルターを装着します。HSCにはもともとg,r,i,z,Yの5つの広帯域フィルターが設置されており、これ以外にも多種の狭帯域フィルターも利用可能です。今回我々が制作するのは、400nmから1000nmまでの可視波長域を連続的かつ比較的高分解能で分割するような光学フィルター群（中間帯域フィルター）です。このフィルターは重力レンズ効果観測において必須となる「銀河の赤方偏移」を精度良く推定するために非常に重要な役割を果たします。

それ以外にもライマンブレイク銀河の精緻な選択や、銀河の統計的な形状の相関(intrinsic alignment)など、様々な銀河物理、宇宙論に対して重要なデータを提供することが可能になります。