[論文レビュー] Cosmology with the SKA -- overview

Roy Maartens, FB Abdalla+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 28

ひとこと要約

SKAは、最初の段階（SKA1）においても、全天空にわたる赤方偏移の高いHI強度マッピングおよび電波連続スペクトル調査を用いて、宇宙論を変革する。これらの調査により、曲率やBAOの制約において1パーセント未満の精度を達成する、変革的精度の宇宙論が実現される。

ABSTRACT

The new frontier of cosmology will be led by three-dimensional surveys of the large-scale structure of the Universe. Based on its all-sky surveys and redshift depth, the SKA is destined to revolutionize cosmology, in combination with future optical/ infrared surveys such as Euclid and LSST. Furthermore, we will not have to wait for the full deployment of the SKA in order to see transformational science. In the first phase of deployment (SKA1), all-sky HI intensity mapping surveys and all-sky continuum surveys are forecast to be at the forefront on the major questions of cosmology. We give a broad overview of the major contributions predicted for the SKA. The SKA will not only deliver precision cosmology -- it will also probe the foundations of the standard model and open the door to new discoveries on large-scale features of the Universe.

研究の動機と目的

• SKAが完全に稼働する前段階（SKA1段階）においても、変革的宇宙論的科学を提供できることを示すこと。
• 全天空のHI強度マッピングおよび電波連続スペクトル調査が、大規模構造の有効で競争力があり、相補的なプローブとして成立することを確立すること。
• SKA1段階が、現在の光学調査やEuclidと同等またはそれ以上の性能を発揮し、特にBAOおよび曲率の測定において優れた制約を達成できることを示すこと。
• 将来の光学／赤外調査（例：Euclid、LSST）と組み合わせたSKAデータが、系統誤差と宇宙分散をどのように低減できるかを検討すること。
• 宇宙論の基礎的検証、特に初期宇宙の非ガウス性、ダークエネルギーの時間的変化、ホライズンスケールでの一般相対性理論の検証を調査すること。

提案手法

• SKA-MID/SURを用いた全天空のHI強度マッピング調査により、赤方偏移z ~ 3までの統合HI放射を測定し、個々の銀河を解像しないまま大規模構造の揺らぎを検出する。
• トモグラフィー的スライスにおける高精度な赤方偏移測定を実装し、強度マッピングの揺らぎからBAOおよびパワースペクトルの測定を可能にする。
• SKA-MIDを用いた全天空の電波連続スペクトル調査により、SKA1段階で約10⁸個、SKA2段階で約10⁹個の銀河を検出し、全フレックスを用いて大規模構造をトレースする。
• 2次元連続スペクトル調査と赤方偏移情報の組み合わせにより、部分的に3次元の大規模構造マップを構築し、弱いレンズ効果およびクラスタリング解析を可能にする。
• 大スケール（k ~ 0.01 h Mpc⁻¹）におけるBAOスケール測定およびパワースペクトル解析を用いて、曲率およびダークエネルギーを制約する。
• 電波調査と光学調査（例：Euclid）の相互相関を用いて、系統誤差を低減し、弱いレンズ効果の精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKA1段階は、完全なSKA（SKA2）が稼働する前でも、競争的かつ変革的宇宙論を提供できるか？
• RQ2 SKA1段階の強度マッピング調査は、BAO測定により、ハッブル定数および角距離の測定をどの程度の精度で達成できるか？
• RQ3 電波連続スペクトル調査が大規模構造をマッピングし、弱いレンズ効果宇宙論を可能にする潜在的力をどの程度持つか？
• RQ4 CMBおよび光学調査と比較して、SKA1段階が空間曲率（ΩK）の制約をどの程度改善できるか？
• RQ5 SKAは初期宇宙の非ガウス性および赤方偏移ドリフトを探索可能であり、インフレーションおよびダークエネルギーの新しい検証を可能にするか？

主な発見

• SKA1段階の強度マッピング調査は、HI銀河赤方偏移調査および現在の光学調査を上回るBAO測定性能を示しており、径方向および横方向のBAO誤差はEuclidと同等またはそれより良好であると予測される。
• SKA1段階のHI強度マッピング調査は、空間曲率に関して|ΩK| < 10⁻³の予測精度を達成可能であり、摂動的でない領域においてプランクのCMB制約を上回る。
• SKA1段階のHI強度マッピング調査は、z ~ 3まで約30,000 deg²の領域をカバーし、k = 0.01 h Mpc⁻¹における高体積・大規模パワースペクトル測定を実現し、1パーセント未満の誤差を達成可能である。
• SKA1段階の電波連続スペクトル調査は、z ~ 6まで約30,000 deg²の領域で約10⁸個の銀河を検出し、SKA2段階における30,000 deg²の弱いレンズ効果調査の基盤を築く。
• SKA2段階の10⁹個の銀河調査は、史上最大のスケールのスペクトロスコピック調査となり、クラスタリングおよびBAO測定における前例のない精度を実現する。
• SKA2とEuclidの調査を組み合わせることで、系統誤差と宇宙分散が顕著に低減され、弱いレンズ効果の制約が、両調査単独で達成可能な範囲をはるかに超えるようになる。