[論文レビュー] Cosmology from the EoR/Cosmic Dawn with the SKA

Jonathan R. Pritchard, Kiyotomo Ichiki+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 6–27 における中性水素の21 cmフラクチュエーションを検出することで、スケールキロメートルアレイ（SKA）フェーズ1が、再電離時代（EoR）および宇宙黎明期（CD）の画期的な宇宙論的測定を可能にすると提案している。高感度・広域サーベイを用いて、SKAは大規模構造の密度フラクチュエーションをマッピングし、21 cm信号の弱いレンズ効果を調べ、ダークマターの崩壊や初期非ガウス性といった異常物理を制約する。これは、CMBをはるかに超える初期宇宙の宇宙論への新たな窓を提供する。

ABSTRACT

The SKA will build upon early detections of the EoR by precursor instruments, such as MWA, PAPER, and LOFAR, and planned instruments, such as HERA, to make the first high signal-to-noise measurements of fluctuations in the 21 cm brightness temperature from both reionization and the cosmic dawn. This will allow both imaging and statistical maps of the 21cm signal at redshifts z = 6 - 27 and constrain the underlying cosmology and evolution of the density field. This era includes nearly 60% of the (in principle) observable volume of the Universe and many more linear modes than the CMB, presenting an opportunity for SKA to usher in a new level of precision cosmology. This optimistic picture is complicated by the need to understand and remove the effect of astrophysics, so that systematics rather than statistics will limit constraints. This chapter describes the cosmological, as opposed to astrophysical, information available to SKA. Key areas for discussion include: cosmological parameters constraints using 21cm fluctuations as a tracer of the density field; lensing of the 21cm signal, constraints on heating via exotic physics such as decaying or annihilating dark matter; impact of fundamental physics such as non-Gaussianity or warm dark matter on the source population; and constraints on the bulk flows arising from the decoupling of baryons and photons at z = 1000. The chapter explores the path to separating cosmology from astrophysics, for example via velocity space distortions and separation in redshift. We discuss new opportunities for extracting cosmology made possible by the sensitivity of SKA Phase 1 and explores the advances achievable with SKA2.

研究の動機と目的

• EoRおよびCDという、これまで観測されていなかった宇宙時代における21 cmフラクチュエーションからの宇宙論的制約を調査すること。
• アストロフィジカルな系関数が存在する中で、SKAの感度と広い赤方偏移カバー範囲が21 cm信号から宇宙論的情報をどのように抽出できるかを特定すること。
• SKA-LOWおよびSKA-MIDが、銀河間媒体の熱的歴史を測定し、ダークマターの崩壊といった異常物理の痕跡を検出する可能性を評価すること。
• 速度空間の歪みと赤方偏移の分離を用いて、宇宙論的信号とアストロフィジカルな雑音を分離する戦略を開発すること。
• SKA1およびSKA2が、Gpcスケールでの大規模構造、弱レンズ効果、初期非ガウス性の測定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z = 6–27 の全範囲にわたり、物質密度場のトレーサーとして21 cmの輝度温度フラクチュエーションを用いる。
• SKAの広域・高感度サーベイから宇宙論的制約を抽出するために、統計的パワースペクトル解析を適用する。
• 21 cm信号の角度パワー スペクトルにおける歪みを通じて、弱レンズ効果を用いてダークマター構造をマッピングする。
• 速度空間の歪みと赤方偏移の分離を用いて、宇宙論的信号とアストロフィジカルな前景を分離する。
• 宇宙分散を最小限に抑えるために、浅い広域と深い狭域のサーベイを組み合わせた最適な観測戦略をシミュレーションする。
• SKA2の感度と空間分解能の向上を活用し、超水平スケールでの初期非ガウス性や相対論的補正を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAフェーズ1は、EoRおよびCDからの21 cmフラクチュエーションを用いて、物質パワー スペクトル や初期非ガウス性といった宇宙論的パラメータを測定可能か？
• RQ2 速度空間の歪みと赤方偏移の分離は、アストロフィジカルな前景から宇宙論的信号を分離するためにどのように利用できるか？
• RQ3 銀河間媒体の熱的歴史を通じて、SKAがダークマターの崩壊や対消滅といった異常物理に与える制約は何か？
• RQ4 大規模構造による21 cm信号の弱レンズ効果は、Gpcスケールでのダークマター構造のマッピングを可能にするか？
• RQ5 z ≈ 1000 におけるバリオンとダークマターのバルクフローは、21 cmパワー スペクトルにどのように影響を与え、どのように測定可能か？

主な発見

• SKA-LOW フェーズ1は、z = 6–27 におけるEoRおよびCDの最初の直接的宇宙論的プローブを提供し、観測可能な宇宙の約60％の体積にアクセスする。
• この赤方偏移範囲に含まれる多数の線形モードのおかげで、系関数が制御されればCMBを上回る精度の宇宙論が可能になる。
• SKA-LOWは、銀河間媒体の熱的歴史を測定でき、アストロフィジカル加熱とは異なる時間的・空間的依存性を示す、ダークマターの崩壊や対消滅の特徴的なシグナルを提供する。
• 21 cm信号の弱レンズ効果は、SKA-Midで測定可能であり、度から数分の1程度のスケールでダークマター構造のマッピングを可能にする。
• SKA2の感度と空間分解能の向上により、超水平スケールでの初期非ガウス性および相対論的補正の検出が可能になる。
• 浅い広域と深い狭域のサーベイを組み合わせた最適な観測戦略により、宇宙分散を最小限に抑え、宇宙論的情報抽出を最大化できる。