初期銀河の宇宙進化への影響

初期の宇宙は、最初の10億年の間に大きな変化を経験した。宇宙の再結合の後、宇宙は冷たくてほとんど空っぽだった。コズミック・ドーンは最初の銀河が形成され、紫外線（UV）やX線を放出し始めた時期を指し、この放射線が宇宙の間の物質（IGM）を加熱・イオン化した。この変化は再イオン化の時代（EoR）として知られる重要な変革をもたらした。

これらの初期の銀河が宇宙の加熱やイオン化にどう影響したのかを理解するには、彼らのUVおよびX線の放出をモデル化する必要がある。ただ、個々の銀河からの放出は非常に変動が大きく、星形成や銀河の構造、星間吸収などの要因に依存している。これらのプロセスは複雑で予測が難しく、単一の銀河の挙動をシミュレーションするのは難しいし、何より多くの銀河をサンプルにするのはなおさらだ。

幸いなことに、私たちが観測する宇宙放射は、多くの銀河が組み合わさったものだ。これにより、銀河の特性とそれらのホストとなるダークマターのハローを結びつける平均的なスケーリング関係に頼ることができる。これらの関係は、EoRやコズミック・ドーンを調査する多くの数値的および解析的モデルの基盤となる。

でも、異なる銀河の間のランダム性を無視するのは常に安全じゃない。こうした「確率性」は、全体的なイオン化率などの平均的な量の推定に大きな影響を与えることがある。もし変動を考慮せずに平均的な量を仮定すると、これらの分布が相互に関連しているため、結果を誤解してしまうかもしれない。EoRに関するさまざまな測定、例えばラジオ信号やライマンアルファの森は、銀河の放出率の変動に敏感だ。小さな空間スケールを調べるにつれて、特に高赤方偏移の銀河が稀でバイアスがかかっているところで、確率性の影響がより顕著になる。

銀河の光放出に対するランダム性の影響を分析するため、銀河の特性に影響するさまざまな要因を考慮した柔軟なモデルを開発した。これには、ハロー質量と銀河特性の関係、銀河内の星形成率、星の金属量、内因性の光度、IGMに逃げる光子の割合が含まれる。

確率性の研究は、これらの変動を無視すると再イオン化の期間を1〜2億年も過大評価することがあることを示している。私たちのモデルは、さまざまな波長や赤方偏移にわたって銀河が放出する光の量を決定する際の異なるランダム性の源の重要性を定量化している。

重要な発見の一つは、星形成の主系列周辺の散らばりが銀河の星質量と星形成率の関係において、観測されたすべての波長で重要であることだ。より高い赤方偏移の地点では、淡い銀河が支配するため、この変動を無視すると平均放出率が2〜10倍過小評価されるかもしれない。

さらに、X線光度と星形成率の関係のランダム性は、X線の平均値と変動の約半分を占めるようだ。イオン化光子の逃げる割合に対する確率性の影響は、使われる基礎的な分布によって異なる重要性を持つ。星質量とハローマスの関係の散らばりを無視すると、全体の変動の10〜20%を寄与する。

つまり、ランダムな変動がいくつかのUV光度関数を平滑化する一方で、観察された散らばりのレベルは最近のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）から得たデータを完全に説明するには十分ではない。

要するに、私たちの研究は、初期宇宙をモデル化し観測を解釈する際には、星形成の突発性や内因性X線生成のランダム性を考慮する必要があることを強調している。

#宇宙構造の破綻

宇宙は初期の数年間で劇的に変化した。宇宙の再結合の後、環境は冷たくて比較的空っぽだった。しかし、コズミック・ドーンは最初の銀河が形成され、周囲のIGMを加熱・イオン化するUVおよびX線を放出する時期を示している。この変化は再イオン化の時代に繋がった。

これらの初期の銀河が宇宙の加熱やイオン化にどう影響したのかを理解するには、彼らのUVおよびX線の放出を分析しないといけない。こうした放出は非常に変動が大きく、星形成、フィードバックプロセス、星間物質の空間配置に依存している。その結果、これらの複雑な現象は、個々の銀河の挙動を予測することや、多くの銀河を集めた場合の予測を難しくする。

これらの課題にもかかわらず、関連する宇宙放射の場は多くの銀河からの寄与によって生成されている。これにより中心極限定理を適用し、銀河の特性とそれらのホストダークマターのハローを結びつける平均関係を使うことができる。この方法論は、EoRやコズミック・ドーンを調査する多くの数値的および解析的モデルの基礎を形成する。

でも、銀河間の散らばりを無視することが有効な場面はまだ不明だ。確率性を無視すると、グローバルな平均の推定にバイアスがかかり、EoRのような歴史的な出来事の理解に影響を与えることがある。平均的な量を計算する際、銀河特性の変動を考慮しないと、結果を誤解するリスクがある。この文脈では、空間的な変動に敏感なさまざまな測定が生じ、私たちのモデルにおいて確率性を考慮する重要性を強調する。

私たちの研究では、銀河の放出率に影響する複数の側面に焦点を当てたモデルを構築した。具体的には、条件付きハローマス関数、星質量とハロードの関係、銀河での星形成の主系列、基本的な金属量関係、内因性光度、光子の逃げる割合を考慮した。

結果は、これらのパラメータの散らばりを無視すると、宇宙環境の理解において重大な過小評価が生じることを示している。たとえば、星形成率の変動を無視すると、特に高赤方偏移の地点でイオン化放出率の推定が大きく影響を受ける可能性がある。

イオン化光子の逃げる割合に対するランダム性の影響は、その機能形式によって異なる。結果として、異なる要因が全体の放出率に異なる程度で寄与している。私たちの発見は、EoRのモデルが混沌とした星形成パターンを反映し、内因性X線生成の変動を取り入れる必要があることを示唆している。

#銀河放出率モデルの構築

初期宇宙では、いくつかの要因が銀河の光の放出に影響を与えた。私たちは、この複雑さを捕捉するためのモデルを開発し、イオン化UV、ソフトX線、ライマン・ウェルナー放射の関連バンドに焦点を当てた。このモデルは、スケールと赤方偏移にわたるこれらの放出の分布を評価し、重要な変動要因を考慮している。

私たちのモデルの重要な側面は、銀河が形成され進化する複雑さだ。ダークマターのハローの数は相対的な豊富さに対応し、条件付きハローマス関数を使って説明する。条件付きハローマス関数に対するハイブリッドアプローチを取ることで、ハロー質量と銀河特性の関係を正確に表現できる。

主質量の関係や星形成の主系列などの主要な関係の平均値周辺の散らばりを探ることで、放出率全体に対する影響を評価する。私たちの結果は、散らばりが放出率の挙動を大きく変えること、特にその平均値や変動に関して重要であることを示している。

5コモービングメガパーセク（cMpc）に基づく平均放出率は、複数の散らばり要因を考慮しなければならないことが重要な発見だ。私たちは、条件付きハローマス関数、星形成効率、逃げる割合の分布など、放出率に全体的に寄与するさまざまな要因を特定した。

私たちは、銀河特性の分布を数値的にサンプリングし、それに対応する放出率分布を計算するためにモンテカルロシミュレーションを実施した。このサンプリングの各ステップは、異なる変動要因が全体の銀河放出率にどう影響するかを明らかにする機会を提供する。

放出率を測定する際には、確率性の重要性が強調される。確率性は平均値を変えるだけでなく、異なる領域での標準偏差を広げる。こうした変動は、EoRやコズミック・ドーンからの観測を解釈する際に散らばりを考慮する必要性を強調している。

#観測に対する変動の影響

銀河放出率の変動は、初期宇宙とその進化を理解する上で重要な意味を持つ。この散らばりの影響を、イオン化放出率、ソフトバンドX線放出率、ライマン・ウェルナー放出率の文脈で調べた。

特に、イオン化放出率を分析したところ、変動が強い地域は銀河の密度が低下する際に一貫性を欠くことがあるという証拠が見つかった。星形成率周辺の散らばりによる寄与を無視すると、特に平均値や標準偏差に関して大幅に過小評価されることが示唆される。

ソフトバンドX線放出率を調べる際にも、影響が同様に顕著だった。星形成率の変動が放出されるX線光度に大きな影響を与えることを発見した。特に、星形成主系列周辺の散らばりが、結果として得られるX線放出率に大きく寄与している。

分析を通じて、さまざまな要因が放出の確率的性質に寄与していることが明らかになった。得られた分布は、散らばりを無視すると、特に赤方偏移が増加するにつれて、銀河の変動に敏感な観測可能量の大幅な過小評価につながることを示している。

ライマン・ウェルナー放出率を考えると、星形成主系列内に内在する変動が平均値や標準偏差の計算に大きな影響を与えることがわかった。星質量とハローマス比周辺の散らばりは全体的な影響にはあまり寄与しないが、それでも我々が導出した放出率の分布には重要な役割を果たしている。

私たちの発見は、EoRに焦点を当てた望遠鏡やラジオアレイからの観測データを解釈する際に、この変動を考慮する重要性を強調している。散らばりを無視することで生じる不正確さは、銀河特性や宇宙放射場への寄与に関する理解にバイアスをかける可能性がある。

#結論と今後の方向性

私たちの研究は、初期の銀河から放出される光を形成する上でランダム性が重要な役割を果たしていることを強調しており、再イオン化の履歴に関する推定にも影響を与える。銀河特性の散らばりを無視すると、特にEoRのタイミングや期間に関する推定がずれてしまう。

今後のEoRやコズミック・ドーンのモデルでは、特に突発的な星形成や確率的なX線放出に関して、ランダム性を統合する必要がある。そして、観測データはこれらの影響を意識して解釈されるべきで、初期銀河の特性に対する偏った結論を避けられる。

私たちが利用した半経験的なフレームワークは柔軟性と透明性を示し、追加の観測可能量やさまざまな機能関係を簡単に取り入れられるため、初期宇宙の宇宙構造の理解を深めることができる。

新しい観測所からのデータを引き続き収集する中で、私たちのモデルをさらに洗練させ、特定した変動の影響に対処することが重要になってくる。そうすることで、私たちは宇宙の初期の歴史や最初の銀河の形成をより良く理解できるようになる。