[論文レビュー] Cosmology with the SPHEREX All-Sky Spectral Survey

Olivier Doré, Jamie Bock+31 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Dec 16, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 184

ひとこと要約

本論文は、全天空にわたる近赤外分光法を用いてインフレーション理論や大規模構造の宇宙論的問題に取り組むSPHEREx全天空分光調査を提案している。R=40–150の分光分解能で低赤方偏移域における銀河の赤方偏移とクラスタリングを測定することにより、初期宇宙の非ガウス性およびダークエネルギーの精密制約が可能となり、同時に星間氷や銀河進化の研究にも貢献する。

ABSTRACT

SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer) ( http://spherex.caltech.edu ) is a proposed all-sky spectroscopic survey satellite designed to address all three science goals in NASA's Astrophysics Division: probe the origin and destiny of our Universe; explore whether planets around other stars could harbor life; and explore the origin and evolution of galaxies. SPHEREx will scan a series of Linear Variable Filters systematically across the entire sky. The SPHEREx data set will contain R=40 spectra fir 0.75$

研究の動機と目的

• 低赤方偏移宇宙における大規模構造の測定を通じて、初期宇宙の非ガウス性を測定し、インフレーションの物理を制約すること。
• 全天空にわたる近赤外域における銀河クラスタリングおよびパワー スペクトルのマッピングにより、高赤方偏移のダークエネルギー調査を補完すること。
• 宇宙時間にわたるすべての銀河集団からの全光度を追跡することで、銀河の起源と進化を解明すること。
• 2×10⁴個以上の銀河系の標的に対して吸収分光法を用いて、惑星系形成過程における星間氷および生物由来分子の研究を実施すること。
• 高感度および高分解能を備えたレガシーフルスカイ近赤外分光調査を構築し、多様な天体物理学的調査を可能にすること。

提案手法

• SPHERExは、20 cmの全アルミ製望遠鏡を用い、3.5°×7.0°の視野角と4つのHgCdTe検出器アレイを備え、2つのスペクトルバンドで全天を撮像する。
• 線形可変フィルター（LVF）を用いて、望遠鏡がステップアンドリピート走査パターンに従って全天を走査する際、光を検出器アレイに分散させる。
• 分光分解能は0.75–4.1 μmでR=41.5、4.1–4.8 μmでR=150を達成し、1ピクセルあたり6.2角秒の高分解能スペクトルマッピングが可能となる。
• 望遠鏡は被動熱制御により80 K以下に放射冷却され、検出器は55 K以下に冷却され、低背景と高感度を確保する。
• 調査では、赤方偏移と光度を備えた4000万個の天体の全天空カタログを生成し、統計的クラスタリングおよびパワー スペクトル解析を可能にする。
• ビーム非対称性、キャリブレーション誤差、点像関数の変動といった系誤差を詳細に評価し、強固な宇宙論的制約を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPHERExが測定する大規模構造クラスタリングから、初期宇宙の非ガウス性にどのような制約が得られるか？
• RQ2 SPHERExは低赤方偏移域で構造の成長率をどの程度の精度で測定でき、ダークエネルギーパラメータをどの程度制約できるか？
• RQ3 未分解明るさを持つ銀河は、宇宙時間にわたって赤外背景光にどの程度寄与しているか、その進化はいかなるものか？
• RQ4 ミルキーウェイの分子雲および原始惑星系円盤における星間氷の組成と含有量はどのように分布しているか？
• RQ5 星形成領域における物理的状態は、水や有機分子の形成と生存にどのように影響を与えるか？

主な発見

• SPHERExは線形領域で1%の精度で銀河のパワー スペクトルを測定し、fNL ≈ 10–20のレベルで初期宇宙の非ガウス性を検出可能となる。
• z < 1.5の領域で構造の成長率fσ8を2%の精度で制約可能であり、高赤方偏移のダークエネルギー探査と強力に補完する。
• SPHERExは0.75–4.8 μmの波長域で約4000万個の銀河を赤方偏移とともに検出し、全天空にわたる強固なクラスタリング測定が可能となる。
• 2×10⁴個以上の銀河系標的に対して氷の含有量を測定し、星間氷に含まれる水および有機分子の最初の全天空アンケートを提供する。
• 4.1–4.8 μmの周波数要素あたり18.5 AB magの感度（5σ）を達成し、熱負荷に対して300%の余裕を確保することで、長期安定性を実現する。
• パワー スペクトル測定における系統誤差予算は1%未満に抑えられ、観測上の課題にもかかわらず、強固な宇宙論的制約が得られる。