[論文レビュー] Cosmology from HI galaxy surveys with the SKA

F. B. Abdalla, Philip Bull+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、中性水素（HI）銀河赤方偏移を用いた画期的な宇宙論的調査が、アレイの広域スカイカバレッジと高い感度のおかげで、バリオン音響振動（BAO）および赤方偏移空間歪み（RSD）の測定を競争力を持って実現できることを示している。特に、完全段階におけるSKAは、ダークエネルギー、修正重力、非ガウス性（$f_{\text{nl}}$を介して）の制約を高精度で行い、さらに宇宙論的赤方偏移ドリフトの初回のリアルタイム測定を可能にする。

ABSTRACT

The Square Kilometer Array (SKA) has the potential to produce galaxy redshift surveys which will be competitive with other state of the art cosmological experiments in the next decade. In this chapter we summarise what capabilities the first and the second phases of the SKA will be able to achieve in its current state of design. We summarise the different cosmological experiments which are outlined in further detail in other chapters of this Science Book. The SKA will be able to produce competitive Baryonic Oscillation (BAOs) measurements in both its phases. The first phase of the SKA will provide similar measurements as optical and IR experiments with completely different systematic effects whereas the second phase being transformational in terms of its statistical power. The SKA will produce very accurate Redshift Space Distortions (RSD) measurements, being superior to other experiments at lower redshifts, due to the large number of galaxies. Cross correlations of the galaxy redshift data from the SKA with radio continuum surveys and optical surveys will provide extremely good calibration of photometric redshifts as well as extremely good bounds on modifications of gravity. Basing on a Principle Component Analysis (PCA) approach, we find that the SKA will be able to provide competitive constraints on dark energy and modified gravity models. Due to the large area covered the SKA it will be a transformational experiment in measuring physics from the largest scales such as non-Gaussian signals from $ extrm{f}_{ extrm{nl}}$. Finally, the SKA might produce the first real time measurement of the redshift drift. The SKA will be a transformational machine for cosmology as it grows from an early Phase 1 to its full power.

研究の動機と目的

• 中性水素（HI）銀河赤方偏移調査を用いたスケールキロメーター・アレイ（SKA）の宇宙論的潜在能力を、特に初段階および最終段階において評価すること。
• 主成分分析（PCA）を含む非パrametric手法を用いて、SKAがダークエネルギーおよび修正重力モデルに対する競争的な制約をどのように提供できるかを評価すること。
• 宇宙論的赤方偏移ドリフトをHIライン赤方偏移を用いて測定可能かどうかを調査し、宇宙加速のモデルに依存しないテストを提供すること。
• 他のプローブ（例：電波連続スペクトルおよび光学調査など）との相関技術を活用し、SKA銀河調査とphotometric赤方偏移の校正および重力理論のテストを検討すること。
• 大スケールでの非ガウス性への感度を、$f_{\text{nl}}$の測定を通じて定量的に評価し、プランクの精度を上回ることを目的とする。

提案手法

• SAXスカイシミュレーションから得られたシミュレートされたHI銀河数密度および偏りを仮定し、SKA1およびSKA2の感度設定を用いて宇宙論的制約を予測する。
• 幾何学的構造および構造成長の測定に、バリオン音響振動（BAO）および赤方偏移空間歪み（RSD）を主な宇宙論的プローブとして用いる。
• パラメトリックモデルのバイアスを回避するために、ダークエネルギーおよび修正重力の進化を非パラメトリックにモデル化するための主成分分析（PCA）を適用する。
• 電波連続スペクトル／光学調査との相関を用いて、SKAのHI銀河調査のphotometric赤方偏移を校正し、重力理論のテストを実施する。
• WMAPおよびプランクの宇宙論的パラメータを用いて赤方偏移ドリフト信号をモデル化し、長期にわたる繰り返しSKA観測による検出可能性を推定する。
• 広域スカイカバレッジと高い源密度を活かして、統計的パワーを用いて大スケールでの$f_{\text{nl}}$の測定感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、初段階および完全段階の両方において、光学／赤外調査と同等のバリオン音響振動（BAO）測定を達成できるか？また、それらの測定はどのように比較されるか？
• RQ2 非パラメトリックなPCAアプローチを用いた場合、SKA銀河赤方偏移調査は、ダークエネルギーおよび修正重力の制約をどの程度向上できるか？
• RQ3 SKAは、宇宙論的赤方偏移ドリフトの統計的検出を可能にするか？また、それを達成するにはどのような観測戦略が必要か？
• RQ4 電波連続スペクトルおよび光学調査などの他のプローブとの相関は、photometric赤方偏移の校正にどの程度有効か？
• RQ5 SKAは、プランクを上回る精度で初期宇宙の非ガウス性（$f_{\text{nl}}$）を測定できるか？期待される感度は何か？

主な発見

• SKA1段階では、$z \sim 0.5$までの数百万個のHI銀河をマッピングし、光学および赤外調査と同等のBAO測定を提供するが、異なる補足的システム的誤差を有する。
• 完全なSKA（SKA2）では、空域の大部分にわたり10億個の銀河の赤方偏移調査が可能となり、宇宙論的制約に画期的な統計的パワーを提供する。
• SKA2は、検出された銀河数の多さのおかげで、低赤方偏移域における赤方偏移空間歪み（RSD）測定を優れた精度で達成する。
• SKAのHI調査と他のプローブとの相関は、極めて高精度なphotometric赤方偏移の校正および修正重力モデルに対する強い制約を可能にする。
• PCAアプローチを用いることで、SKAはパラメトリックモデルの仮定に依存しない形で、ダークエネルギーおよび修正重力の進化に関する競争的な制約を提供する。
• SKAは、宇宙論的赤方偏移ドリフトの初回のリアルタイム・モデルに依存しない測定を実現可能であり、12年間で最大$2 \times 10^{-10}$のドリフトが予想され、50年間にわたり1時間に1回20平方度の繰り返し観測で検出可能である。