[論文レビュー] Cosmology with the Ly-a forest

Martin White|arXiv (Cornell University)|May 23, 2003

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高赤方偏移物質パワー スペクトルにおけるバリオン音響振動（BAO）を検出するために、クェーサー分光からのLyαフォレスト交差スペクトルを用いることを提案しており、標準モデルの宇宙論的テストを提供する。また、QSOなどの源によって駆動されるUVバックグラウンドの空間的フラクチュエーションが、Lyαフォレストの2点統計に与える影響を検討し、z > 5におけるイオン化歴史および源発光度に及ぼす影響を示している。

ABSTRACT

The Lya forest has emerged as one of the few systems capable of probing small-scale structure at high-z with high precision. In this talk I highlight two areas in which the Lya forest is shedding light on fundamental questions in cosmology, one speculative and one which should be possible in the near future.

研究の動機と目的

• Lyαフォレスト交差スペクトルが高赤方偏移物質パワー スペクトルにおけるバリオン音響振動（BAO）を検出可能かどうかを調査すること。
• 空間的に変動するUVバックグラウンドが、特にz > 5におけるLyαフォレストの2点統計に与える影響を評価すること。
• z ≳ 6におけるクェーサーがUVバックグラウンドに顕著な寄与を果たす可能性があり、イオン化および光学的厚さ測定に影響を及ぼすかどうかを特定すること。
• 近い将来の大型クェーサー調査におけるLyαフォレスト透過率の交差スペクトルを用いたBAO測定の可能性を評価すること。
• 不均一なイオン化バックグラウンドによる系誤差を定量化し、それらが源発光度制約に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 2つのクェーサー線の視線間の透過率交差スペクトルを用いて3次元物質パワー スペクトルを探索し、交差スペクトルがバリオン振動に感受的である一方で、kの積分により自己スペクトルがそれらを抑制することを活用する。
• ピーク・バックグラウンド分割形式を用いて、透過率交差スペクトルπτとその背後にあるダークマター交差パワー スペクトルπを関連づけ、δn_H ∝ (ρ/ρ̄)^αを仮定する。
• ハンケル変換関係（式2および3）を用いて交差スペクトルを逆転し、3次元パワー スペクトルΔ²(q)を回復する。J₀は第一種ベッセル関数を表す。
• イオン化バックグラウンドを空間的にフラクチュエートするものとしてモデル化し、シミュレーションにおける源分布を用いて、対応する透過率パワー スペクトルおよび相関関数を計算する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、宇宙論的シミュレーションボックス内に源を配置し、UVバックグラウンドを計算し、さまざまなイオン化状態を想定した合成Lyα分光を生成する。
• 不規則にサンプリングされたデータの逆転を回避するため、解析的に計算可能な赤方偏移およびスケール依存の振動を用いて交差スペクトルの尤度推定を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低SN比であっても、Lyαフォレスト交差スペクトルは高赤方偏移物質パワー スペクトルにおけるバリオン音響振動を検出可能か？
• RQ2 空間的フラクチュエーションを示すUVバックグラウンドは、z > 5におけるLyαフォレストの2点統計（例えば、透過率相関関数およびパワー スペクトル）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 z ≳ 6におけるクェーサーがUVバックグラウンドにどの程度寄与するか、そして平均光学的厚さおよびイオン化構造に観測可能な影響を及ぼすか？
• RQ4 不均一なイオン化バックグラウンドは、推定された光学的厚さおよび観測された平均透過率に一致させるために必要な発光度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 現在および近い将来のクェーサー調査において、交差スペクトルが宇宙分散の限界まで測定可能か。また、主な系誤差は何か？

主な発見

• 透過率交差スペクトルは、物質パワー スペクトルにおけるバリオン音響振動に感受的であり、数100組のクェーサー対を用いることで理論的なSN比1%程度の信号が達成可能である。
• 交差スペクトルは宇宙分散の限界まで測定可能であり、誤差は√(2kf / (NΔk))に比例する。ここでkfは基本モード、Nはペア数を表す。
• UVバックグラウンドの減衰長さr₀は赤方偏移とともに準指数関数的に減少し、これにより平均光学的厚さȶは赤方偏移の増加に伴い急激に上昇する。
• QSOの発光度関数の外挿から、QSOはz ≈ 6でもUVバックグラウンドに無視できない寄与を果たす可能性があり、Γにおける顕著な空間的フラクチュエーションを引き起こすと示唆される。
• UVバックグラウンドのフラクチュエーションは、均一なバックグラウンド仮定よりも推定される光学的厚さを増加させ、必要なイオン化率を上昇させ、源発光度制約に影響を及ぼす。
• モンテカルロシミュレーションの結果、1点分布は比較的影響を受けにくいが、UVバックグラウンドが不均一な場合、高赤方偏移において2点統計（相関関数およびパワー スペクトル）に顕著な差が生じることが明らかになった。