[論文レビュー] Cosmology with the MaunaKea Spectroscopic Explorer

Will J. Percival, Christophe Yèche+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、10,000 deg²の天の川領域を対象とし、発光線銀河、ライマンギャップ銀河、およびクェーサーを標的とすることで、赤方偏移 z=1.6–4.0 におけるバリオン音響振動（BAO）および赤方偏移空間歪み（RSD）を測定することを目的とした、マウナケア分光観測所（MSE）高赤方偏移宇宙論調査を提案する。この調査は、局所的な fNL パラメータの精度を 1.8σ まで向上させ、CMB-S4 および DESI データと組み合わせることでニュートリノ質量階層の 5σ 確認を可能にする。

ABSTRACT

This document summarizes the science cases related to cosmology studies with the MaunaKea Spectroscopic Explorer (MSE), a highly-multiplexed (4332 fibers), wide FOV (1.5 sq deg), large aperture (11.25 m in diameter), optical/NIR (360nm to 1300nm) facility. The MSE High-z Cosmology Survey is designed to probe a large volume of the Universe with a galaxy density sufficient to measure the extremely-large-scale density fluctuations required to explore primordial non-Gaussianity and therefore inflation. We expect a measurement of the local parameter $f_{NL}$ to a precision $σ(f_{NL}) = 1.8$. Combining the MSE High-z Cosmology Survey data with data from a next generation CMB stage 4 experiment and existing DESI data will provide the first $5σ$ confirmation of the neutrino mass hierarchy from astronomical observations. In addition, the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO) observed within the sample will provide measurements of the distance-redshift relationship in six different redshift bins between $z=1.6$ and 4.0, each with an accuracy of $\sim0.6\%$. The simultaneous measurements of Redshift Space Distortions (RSD) constrain the amplitude of the fluctuations, at a level ranging from $1.9\%$ to $3.6\%$. The proposed survey covers 10,000 ${ m deg}^2$, measuring redshifts for three classes of target objects: Emission Line Galaxies (ELGs) with $1.6

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河のクラスタリングを用いて、前例のない高精度で局所的な fNL パラメータによる原始的非ガウス性を測定すること。
• バリオン音響振動（BAO）を用いた距離-赤方偏移関係の測定により、ΛCDM モデルの検証とダークエネルギーの探査を実施すること（z=1.6–4.0 で）。
• 赤方偏移空間歪み（RSD）を用いて、高赤方偏移領域（ダークエネルギーがまだ支配的でない時期）における大規模構造の成長率（σ8）の振幅を制約すること。
• 次世代のCMBおよびDESI調査と組み合わせることで、天文観測によるニュートリノ質量階層の初の 5σ 確認を可能にすること。
• スピン分光法による赤方偏移を用いた銀河団質量の強固なキャリブレーションを提供し、銀河団宇宙論における質量プロキシの精度を向上させること。

提案手法

• MSE の 4332 ファイバー、1.5 平方度の視野、11.25m の口径、360–1300 nm の波長域で R∼2500–4000 の分解能を持つ、10,000 deg² の調査を実施する。
• 3 種類の対象を標的にする：発光線銀河（1.6<z<2.4）、ライマンギャップ銀河（2.4<z<4.0）、クェーサー（2.1<z<3.5）を、クラスタリングおよび Lyα 樹脂の研究に用いる。
• 1,800 秒の露出時間により、ELG で 90% の赤方偏移成功率、LBG で 50% 以上の成功率を達成し、4,000 時間（年間 100 日、5 年間）で 8,000 回のポイントングを実施する。
• z=1.6 から 4.0 の間の 6 個の赤方偏移チャンクで BAO および RSD を測定し、距離精度を約 0.6%、σ8 の制約精度を 1.9–3.6% に達成する。
• クェーサー分光法における Lyα 樹脂吸収を分析し、視線方向に沿った大規模構造を追跡し、密度場再構築を強化する。
• MSE データを CMB-S4 および DESI データと組み合わせることで、ニュートリノ質量および fNL の制約を改善し、デゲネラシーを解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マウナケア分光観測所は、原始的非ガウス性を調べるために、局所的な fNL パラメータをどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 MSE、CMB-S4、DESI データの組み合わせにより、ニュートリノ質量階層の 5σ 確認が可能になるか？
• RQ3 z=1.6–4.0 における BAO および RSD 測定は、距離-赤方偏移関係および構造成長率をどの程度正確に制約できるか？
• RQ4 MSE からの分光的赤方偏移は、銀河団の質量キャリブレーションをどの程度向上させ、質量プロキシの散らばりを減少させることができるか？
• RQ5 MSE を用いた IFU ベースの固有速度調査は、宇宙分散に依存しない 1% の精度で線形成長率 fσ8 を達成できるか？

主な発見

• MSE 高赤方偏移宇宙論調査は、σ(fNL) = 1.8 の精度で局所的な fNL パラメータを測定できると予想され、原始的非ガウス性の直接的な探査が可能になる。
• MSE データを次世代の CMB ステージ 4 と既存の DESI データと組み合わせることで、天文学的観測によるニュートリノ質量階層の初の 5σ 確認が可能になる。
• MSE は、z=1.6 から 4.0 の 6 個の赤方偏移チャンクで、距離-赤方偏移関係を約 0.6% の精度で測定し、ダークマター支配時代を調査する。
• MSE による RSD 測定は、同じ赤方偏移チャンクで σ8 を 1.9–3.6% の精度で制約し、高赤方偏移における構造成長の直接的検証が可能になる。
• MSE と Planck データを単独で組み合わせるだけでも、ニュートリノ質量和の 4σ 測定が可能となり、現在の制約を顕著に改善する。
• この調査の 10,000 deg² のカバー範囲と 8,000 回のポイントングにより、z>1.6 の大規模構造の強固な大スケールプローブが可能となり、宇宙論的テストに高い統計的パワーを提供する。