[論文レビュー] 21 cm Intensity Mapping

J. B. Peterson, R. Aleksan+38 more|ArXiv.org|Feb 18, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 12被引用数 19

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、赤方偏移 z = 0 から z = 5 の範囲で、個々の銀河を解像せず中性水素からの 21 cm 線放射の統計的測定を用いて宇宙構造をマッピングする、全天空的で三次元的な強力なプローブとしての 21 cm 強度マッピングを提唱する。この手法により、重力の大きスケールでの役割を調べたり、一時的で変動する電波源を検出したりする一方で、バリオン音響振動（BAO）を測定することで、ダークエネルギーを制約する精度の高い宇宙論が可能になる。

ABSTRACT

Using the 21 cm line, observed all-sky and across the redshift range from 0 to 5, the large scale structure of the Universe can be mapped in three dimensions. This can be accomplished by studying specific intensity with resolution ~ 10 Mpc, rather than via the usual galaxy redshift survey. The data set can be analyzed to determine Baryon Acoustic Oscillation wavelengths, in order to address the question: 'What is the nature of Dark Energy?' In addition, the study of Large Scale Structure across this range addresses the questions: 'How does Gravity effect very large objects?' and 'What is the composition our Universe?' The same data set can be used to search for and catalog time variable and transient radio sources.

研究の動機と目的

• 宇宙の全期間にわたる大規模構造をマッピングするための主要技術として、21 cm 強度マッピングを Astro2010 10年間レビューで提唱すること。
• ダークエネルギーの性質や重力が大規模構造を形作る役割を含む、根本的な宇宙論的問題に取り組むこと。
• 深さのある銀河赤方偏移調査を必要とせず、解像度約 10 Mpc の全天空調査を可能にすること。
• 同じデータセットを用いて一時的および変動する電波源を検出すること。
• 宇宙論的パラメータ推定のための、従来の銀河調査に代わる低コストで広域の代替手法を提供すること。

提案手法

• 赤方偏移 0 < z < 5 の範囲で中性水素の 21 cm ハイパーファイン遷移線の統計的強度を測定する。
• 干渉計器を用いて、天の上での 21 cm 信号の輝度温度の揺らぎを、赤方偏移とともにマッピングし、解像度を約 10 Mpc に達する。
• 21 cm 信号のパワー スペクトルを解析して、標準定規としてのバリオン音響振動（BAO）特徴を抽出する。
• 21 cm マップと他の大規模構造トレーサーとの間の相関を用いて信号対雑音比を向上させる。
• 大規模パワー スペクトルからの宇宙論的パラメータの抽出に統計的手法を適用し、BAO スケールを含むものを含む。
• 同じデータストリームを活用して、周期的またはバースト型の信号検出により、時間的に変動するおよび一時的な電波源を特定・カタログ化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21 cm 強度マッピングによるバリオン音響振動の測定によって、ダークエネルギーの性質を制約できるか？
• RQ2 重力は、宇宙の全期間にわたって大規模構造の成長にどのように影響するか？
• RQ3 21 cm パワー スペクトルから推定される宇宙の構成（ダークマターおよびダークエネルギーを含む）は何か？
• RQ4 同じ 21 cm 強度マッピングのデータストリームを用いて、一時的および変動する電波源を効率的に検出できるか？
• RQ5 現在および計画中の機器を用いて、赤方偏移範囲 0 < z < 5 全体にわたり 21 cm 信号をどの程度正確に測定できるか？

主な発見

• 21 cm 強度マッピングは、赤方偏移範囲 0 < z < 5 の間で、約 10 Mpc の角度およびスペクトル解像度を有する三次元的な大規模構造のマッピングを可能にする。
• この手法により、バリオン音響振動が直接測定され、ダークエネルギーパラメータを制約する標準定規として機能する。
• 同じデータセットを用いて、別々の調査モードを必要とせず、一時的および変動する電波源の検出・カタログ化が可能になる。
• この手法により、深さのある銀河赤方偏移調査を回避でき、宇宙論的マッピングのためのより効率的でスケーラブルなアプローチが実現する。
• この手法は構造の成長に敏感であり、赤方偏移空間パワー スペクトルを用いて、宇宙論的スケールでの重力の検証が可能になる。
• この手法は、現在のおよび近い将来の機器を用いて実現可能であり、Astro2010 10年間調査への組み込みに強く適している。