[論文レビュー] Cosmology Intertwined I: Perspectives for the Next Decade

Eleonora Di Valentino, Luis A. Anchordoqui+90 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

History and Developments in Astronomy被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、今後10年間の宇宙論の包括的なロードマップを提示し、LSST、Euclid、ローマ宇宙望遠鏡、CMB-S4、SKA、重力波検出器といった次世代施設を連携して利用することで、特にH₀とS₈の不一致を解消することを提唱している。高精度な統合的測定がΛCDMモデルの限界を検証し、標準模型を超える新しい物理を探る手がかりとなることを強調している。

ABSTRACT

The standard $Λ$ Cold Dark Matter cosmological model provides an amazing description of a wide range of astrophysical and astronomical data. However, there are a few big open questions, that make the standard model look like a first-order approximation to a more realistic scenario that still needs to be fully understood. In this Letter of Interest we will list a few important goals that need to be addressed in the next decade, also taking into account the current discordances present between the different cosmological probes, as the Hubble constant $H_0$ value, the $σ_8 - S_8$ tension, and the anomalies present in the Planck results. Finally, we will give an overview of upgraded experiments and next-generation space-missions and facilities on Earth, that will be of crucial importance to address all these questions.

研究の動機と目的

• 持続的な宇宙論的パラメータの不一致、特にH₀とσ₈–S₈の不一致を解消し、ΛCDMモデルに挑戦する。
• H₀の精度を1%未満に高め、ダークエネルギー、ダークマター、修正重力に関する制約を強化するための主要な観測・実験施設を特定する。
• 局所的距離ラダー、CMB、弱引力レンズ、BAO、21 cm調査、重力波標準サインを統合した協働的で多探針アプローチを提唱し、標準宇宙論モデルを検証する。
• LSST、Euclid、ローマ宇宙望遠鏡からの今後のデータが、Nₑffとスペクトル歪みを介して光のレリクスや非標準的物理を検出可能にするメカニズムを明らかにする。
• FASERやLHCといった素粒子物理学実験が、超弱く相互作用するダークマターおよび光のレリクスを探索する可能性を評価する。

提案手法

• JWSTおよびELTを用いた局所的距離ラダーを活用し、時間遅延クェーサーと標準標準光源を用いてH₀の1%の精度を達成する。
• LIGO-Virgoの重力波標準サインを応用し、H₀を独立して測定する。5年以内に2%の精度、10年以内に1%の精度を達成すると予想される。
• CMB-S4を活用し、95%信頼区間でΔNₑff ≤ 0.06を制約し、標準模型を超える軽いレリクスの検出を可能にする。
• LSST、Euclid、ローマ宇宙望遠鏡のデータを統合することで、宇宙論的パラメータの境界を10倍に改善し、不一致緩和モデルの区別を可能にする。
• スケールキロメートルアレイ（SKA）を用いて、ダークエイジスからz ~ 2までの中性水素の21 cm線をマッピングし、大規模構造を通じてダークマターとダークエネルギーを探索する。
• CMBスペクトル歪みとボイド統計（約10⁵個のボイド）を応用し、幾何学的およびクラスタリングプローブを用いてインフレーション、非標準的物理、重力モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の宇宙論的調査が、局所的測定とCMBベースの測定との間のH₀不一致を解消できるか？
• RQ2 ダークエネルギー、ダークマター、重力に関する新しい物理が、S₈–σ₈不一致をどの程度緩和できるか？
• RQ3 CMB-S4が、標準値3.046から逸脱するNₑffの変動を検出できるか？これは標準模型を超える軽いレリクスの存在を示唆する。
• RQ4 LSST、Euclid、ローマ宇宙望遠鏡の組み合わせが、宇宙論的パラメータの制約を10倍に改善できるか？その結果、モデルの区別が可能になるか？
• RQ5 ブラックホール連星からの重力波標準サインが、10年以内に1%の精度で競合可能な独立したH₀測定を可能にするか？

主な発見

• CMB-S4は、95%信頼区間でΔNₑff ≤ 0.06を制約し、実験室で直接検出できないほどに弱い相互作用を持つレリクスの検出を可能にする。
• LSST、Euclid、ローマ宇宙望遠鏡の組み合わせにより、宇宙論的パラメータの境界が10倍に改善され、現在の不一致を緩和するモデルの明確な区別が可能になる。
• LIGO-Virgoの重力波標準サインは、5年以内にH₀を2%の精度で、10年以内に1%の精度で測定すると予想される。
• スケールキロメートルアレイ（SKA）は、z ~ 2までの約10⁹個の銀河からの21 cm線を検出可能となり、ダークエネルギーおよび修正重力モデルの検証が可能になる。
• 近い将来の調査で約10⁵個の宇宙ボイドが検出可能となり、膨張歴史の幾何学的制約と重力モデルの区別が可能になる。
• FASERおよびLHC実験は、超弱く相互作用する粒子を探索し、ダークマターおよび光のレリクスに関する補足的制約を提供する。